Введение в фоточувствительные интегральные микросхемы
В данной статье мы продолжаем вводное обсуждение светочувствительных компонентов, которые создают выходной ток более высокой амплитуды, чем фотодиоды.
Краткое заключение из предыдущей статьи о фототранзисторах: если в вашем приложении важными характеристиками производительности являются скорость или линейность, вы, вероятно, предпочтете использовать фотодиод вместо фототранзистора. Если скорость и линейность не особенно важны, а внутреннее усиление фототранзистора позволяет добиться значительного снижения стоимости, сложности или места на плате, вам следует подумать о фототранзисторе.
Однако оказывается, что это не решение «или-или». Есть третий вариант. Я называю эту группу компонентов «светочувствительными интегральными микросхемами». Когда я использую этот термин, я в первую очередь имею в виду устройства, которые Hamamatsu называет «photo IC diode» (фотодиод на базе микросхемы), но он также включает в себя любой другой компонент, который объединяет фотодиод и усилитель в одном корпусе.
Фотодиод плюс трансимпедансный усилитель
Об этом первом типе светочувствительных интегральных микросхем мало что можно сказать. В наш век чрезвычайно сложных ИС со смешанными сигналами неудивительно, что инженеры придумали способ объединить фотодиод и трансимпедансный усилитель (TIA, transimpedance amplifier) в один компонент.
Лучший способ узнать об этих компонентах – прочитать технические описания на те компоненты, которые вам нравятся. Например, OPT301 от Texas Instruments имеет коэффициент усиления трансимпедансного усилителя 120 дБ, полосу пропускания 4 кГц и фотодиод с режимом нулевого смещения, чувствительный к видимому, ультрафиолетовому и инфракрасному свету.
MLX75305 от Melexis, похоже, использует фотопроводящий режим и включает в себя дополнительную выходную схему.
Примером более экзотического компонента в этой категории является ADN3010-11 от Analog Devices. Он оснащен германиевым фотодиодом, в дополнение к трансимпедансному усилителю включает в себя ограничивающий усилитель и предназначен для оптической передачи данных со скоростью до 11,3 Гбит/с.
Фотодиоды на базе микросхем (photo IC diode)
Как упоминалось выше, здесь я использую терминологию Hamamatsu. Фотодиод на базе микросхемы отличается как от усилителя на основе фототранзистора, так и от компонента, совмещающего фотодиод с трансимпедансным усилителем, тем, что он не преобразует фототок в напряжение.
Выходной сигнал фотодиода на базе микросхемы – это ток, и этот ток можно использовать практически так же, как фототок обычного фотодиода. Разница в том, что этот ток намного больше, потому что устройство включает в себя усилитель тока с большим коэффициентом усиления. Таким образом, фотодиоды избавляются от основной причины недовольства ими (то, что они создают чрезвычайно малые фототоки), не заставляя разработчика переходить на фототранзисторы.
На следующей диаграмме показана внутренняя структура и схемная реализация фотодиода на базе микросхемы от Hamamatsu.
Как вы можете видеть на диаграмме, фотодиод на базе микросхемы дает усиление 1300 А/А, а компоненты с более высоким усилением от Hamamatsu обеспечивают 30 000 А/А. Увеличение амплитуды фототока в 30 000 раз значительно упрощает работу с выходным сигналом.
Еще одним преимуществом фотодиодов на микросхемах является их способность включать в себя второй фотодиод, который может компенсировать смещения, вызванные чувствительностью к длинам волн в ближней инфракрасной области. Вычитая сигнал, генерируемый фотодиодом, который реагирует только на ближний ИК-диапазон, устройство обеспечивает спектральный отклик, который ограничен в основном видимыми длинами волн.
Формирование сигнала напряжения
Как показано на двух предыдущих диаграммах, для формирования сигнала напряжения из выходного тока фотодиода вам не нужен трансимпедансный усилитель. Усилитель вырабатывает токовый сигнал, который можно эффективно преобразовать в полезный сигнал напряжения с помощью не более чем простого резистора. Хотя я не против разработки трансимпедансных усилителей, трудно поспорить с простотой и удобством использования только одного резистора.
Выходной конденсатор, показанный на схемах (подключен пунктирными линиями), не важен, но рекомендуется как средство подавления нежелательных высокочастотных компонентов в выходном сигнале.
Заключение
У меня сложилось впечатление, что компоненты, совмещающие фотодиод с трансимпедансным усилителем, не очень популярны, и я признаю, что я не был бы склонен использовать их вместо дискретных фотодиодов с отдельной схемой трансимпедансного усилителя.
Фотодиоды на базе микросхем кажутся намного более привлекательными. В этой статье я сосредоточился на устройствах Hamamatsu, но должно быть, по крайней мере, несколько других компаний, которые производят подобные компоненты. Единственным другим производителем, с которым я столкнулся при написании этой статьи, был ROHM, который продает аналогичное устройство и называет его «микросхема датчика окружающей освещенности с аналоговым токовым выходом» (analog current output type ambient light sensor IC). Если у вас есть опыт работы с фотодиодами на базе микросхем, или вы можете порекомендовать других производителей, не стесняйтесь делиться своими знаниями в разделе комментариев.