Amplificatore di transimpedenza fototransistor

Ho un tipico fototransistor NPN. Lo faccio funzionare in una configurazione collector comune; vedere la figura 2 di questa nota sull'app .

Aumentando Re aumenterà la sensibilità, ma diminuirà la velocità. Studio i fototransistor da alcuni giorni e penso che un amplificatore a transimpedenza possa darmi ulteriore sensibilità senza sacrificare la velocità, dal momento che non avrò più il caricamento dell'emettitore.

Tuttavia, non riesco a trovare implementazioni semplici. La stragrande maggioranza delle note sulle app descrive i fotodiodi. A differenza di un fotodiodo, un fototransistor deve essere distorto e le poche note applicative che discutono sull'uso dei fototransistor presuppongono la presenza di una tensione di polarizzazione negativa nei loro amplificatori di transimpedenza. Ho bisogno di una soluzione che funzioni con un amplificatore operazionale a singola alimentazione.

Una terra virtuale sull'ingresso non invertente dell'amplificatore di transimpedenza polarizzerebbe correttamente il fototransistor? Di solito il terreno virtuale è a metà strada tra VCC e GND, ma non credo che debba esserlo. La tensione di saturazione del mio fototransistor è 0,15 V; dato VCC = 3,3 V, significa che la mia terra virtuale potrebbe essere a ~ 3 V?

C'è un modo migliore per progettare questo circuito? Vorrei che l'uscita si avvicinasse il più possibile a GND, perché probabilmente ci sarà un amplificatore di secondo stadio.

MODIFICARE:

Maggiori dettagli sull'applicazione. Sento i livelli di luce; basso, molto basso e spento. Non ci sono problemi con la luce ambientale, quindi preferirei non concentrarmi troppo sull'aspetto fototransistor di questa domanda. La larghezza di banda di interesse è di circa 1-10 kHz. Il collezionista comune funziona quasi ; Ho alzato Re il più in alto possibile mantenendo la larghezza di banda che desidero, ma mi piacerebbe comunque che Re fosse circa 2 volte più grande, il che si traduce in un segnale troppo lento.

Ho cercato di realizzare un progetto di livello di luce molto basso da solo negli ultimi 2 giorni con fotodiodi e fototransistor. Questo è per persone come me e il poster originale che spingono al limite il rilevamento della luce senza un fotomoltiplicatore (inferiore a 0,1 mW / cm ^ 2).

Ho osservato il primo modulo ricevitore e la sua rilevazione minima di irraggiamento era 0,2 mW / m ^ 2, che è circa 10.000 volte più (meno capace) di ciò che i fotodiodi e i fototransistor discreti possono fare (forse intendevano cm ^ 2 invece di m ^ 2? ). Né sono buoni per livelli di luce davvero bassi secondo "Art of Electronics" (1 uA per uW di luce pagina 996), totalmente incapaci di avvicinarsi a ciò che l'occhio umano può fare a causa della corrente di dispersione e del rumore. Descrive l'utilizzo dei fotomoltiplicatori che possono essere richiesti se i livelli di luce sono troppo bassi. Tuttavia, nella luce splendente attraverso le dita in una stanza ben illuminata, sono in grado di vedere ciò che il mio occhio non è in grado di rilevare su un oscilloscopio (con PhotoDiode o PhotoTransistor).

Supponendo che i suoi 1 uA per uW siano corretti, ecco un esempio: un fotodiodo da 5 mm e un fototransistor hanno una superficie di 20 micro m ^ 2. Quindi 1 uW / m ^ 2 (1/1000 di luce solare di mezzogiorno) genererebbe 20 uA (secondo Art of Electr). [[1/1000 di luce solare di mezzogiorno è 1 W / m ^ 2 che è circa due volte più forte di una luce incandescente da 20 W a 1 metro (6 W di emissione luminosa in 12 m ^ 2 di superficie di una sfera circostante). ]]

Tuttavia, il mio foglio dati del fototransistor da 880 nm indica 600 uA a 1 W / m ^ 2 (0,1 mW / cm ^ 2), che è 30 volte di più. Questo presuppone che tutta la luce sia nel raggio attivo della giunzione del diodo.

Sharp ha una nota applicativa molto migliore, ma sembra mancare di spiegare quale design è il migliore per quali situazioni. La Figura 13 è più applicabile a ciò di cui ho bisogno e al poster originale, e la Figura 10B è molto interessante, ma non so cosa significano per "migliora la risposta". http://physlab.lums.edu.pk/images/1/10/Photodiode_circuit.pdf

Se utilizzato con un amplificatore operazionale, un fototransistor potrebbe non essere in grado di ottenere un guadagno altrettanto buono di un fotodiodo per livelli di luce molto bassi perché utilizza un metodo "economico" per ottenere il guadagno iniziale (transistor anziché amplificatore operazionale). Sospetto che un fotodiodo con un amplificatore operazionale JFET (corrente di ingresso molto bassa) alla fine fornirebbe un guadagno maggiore con meno rumore. In ogni caso, il fotodiodo o il fototransistor con la più grande area di ricezione ottica potrebbe avere la migliore capacità di rilevare bassi livelli di luce, ma ciò potrebbe anche aumentare il rumore e le perdite di una quantità proporzionale e di solito sono il problema di fondo. Quindi esiste un limite a questo tipo di rilevamento della luce e fototransistor e fotodiodi idealmente efficienti possono alla fine essere ugualmente buoni se usati con un amplificatore operazionale, ma teoricamente sospetto che il fotodiodo sia leggermente migliore.

Per l'amplificatore operazionale a doppia alimentazione, è possibile utilizzare una coppia di resistori con valori "bassi" (due 1k per 10 V Vcc per ottenere una polarizzazione di 5 mA) per dividere la tensione in modo da creare una falsa messa a terra per + Vin.

Ho trovato R = 1M per il resistore di feedback molto meglio di R = 4.7M. Forrest Mimms nel suo semplice optobook utilizzava un 10 M con una 0.002uF parallela e una cella solare invece di un fototransistor o fotodiodo per "livelli di luce estremamente bassi" (forse una cella solare sarebbe meglio per la tua applicazione) Sembra tutto PN le giunzioni sembrano funzionare in una certa misura come una cella solare, poiché ho letto di usare piccoli diodi di segnale incapsulati per rilevare la luce. Sto usando un normale LED da 830 nm come "fotodiodo".

L'angolo dell'obiettivo di qualsiasi diodo ottico da 5 mm che usi fa una grande differenza. +/- 10 gradi è circa 4 volte più sensibile di +/- 20 gradi .... se la fonte di luce arriva da meno di +/- 10 gradi. Se la sorgente luminosa è una grande area che è di +/- 20 gradi davanti, allora non importa.

Ho testato i due circuiti sottostanti. Potrei rilevare impulsi di 0,3 V, 5 ms sul Vo del fototransistor che significa 0,3 uA che significa 0,05 uW / cm ^ 2 se la mia lettura del foglio dati è corretta e se è rimasta lineare (se grande) fino a 0,3 uA. Forse era 5 uW / cm ^ 2. Se 0,05 uW / cm ^ 2 è corretto, il LED 830 standard stava leggendo fino a 0,5 uW / cm ^ 2. Stavo splendendo 10 mW di luce 830 nm attraverso 1 cm di tessuto (il mio dito). So che se i livelli di luce con cui stavo lavorando erano rossi, sarebbe stato appena visibile. Il link seguente mostra l'utilizzo di un feedback di 500 M ohm con un fotodiodo, che indica livelli di luce molto più bassi. Notare l'orientamento del loro fotodiodo, che è lo stesso del mio LED (all'indietro dalla maggior parte dei collegamenti a Internet). Ho ottenuto risultati migliori in questo modo.

http://www.optics.arizona.edu/palmer/OPTI400/SuppDocs/pd_char.pdf

Stavo anche pensando a un amplificatore opamp invertito. La cosa più bella sarebbe una doppia alimentazione in modo da non dover distorcere gli ingressi per creare un terreno virtuale. L'immagine mostra lo schema. Avrai un segnale positivo riferito a terra: più luce = tensione di uscita più alta.

$V_{OUT} = I_{PHOTOTRANSISTOR} \times R_{FEEDBACK}$

$V_{CC}$

modifica dd. 2012-08-15
In questa risposta Alfred ha dimostrato che anche un fotodiodo affonderà la corrente senza una caduta di tensione. Ciò significa che non abbiamo bisogno dell'offerta negativa ed è possibile un'unica fornitura:

Assicurati che sia un opamp RRIO (Rail-to-Rail I / O).

modifica
In quanto sopra ho presunto che si desidera misurare i livelli di luce, cioè i valori analogici. Ma rileggere la tua domanda da nessuna parte ti dice di si. La menzione della velocità suggerisce la ricezione del codice di impulso. Se è quello che vuoi, che aspetto ha il segnale? Qual è la lunghezza d'onda (IR o luce visibile?) Non è possibile utilizzare un modulo ricevitore IR ?

Se hai davvero bisogno di flessibilità, prendi in considerazione l'uso di un fotodiodo invece di un fototransistor: stai già costruendo un amplificatore di transimpedenza, quindi perché non andare fino in fondo?

Inoltre, c'è un ottimo libro sull'argomento, con molti esempi dettagliati di circuiti, per basso rumore e / o alta velocità.
Costruire sistemi elettro-ottici: far funzionare tutto, di Hobbs .