跨阻放大器设计参考.光电管参数

原创 云深之无迹 2025-01-14 07:01

今天开启一个新篇章,跨阻放大器,是精密信号链的一大类。

我看的是这个书:

感觉蛮系统的

作用是把入射光辐射转成电流输出,这里最多的就是日本的滨松了:


通过释放和加速半导体中的导电载流子,光能量转变为电信号。
光电二极管和普通二极管基本一样,不同之处在于接收光来产生内部电流。
  • PIN光电二极管P区和N区之间形成的本征层扩大了光谱响应范围。
  • 雪崩光电二极管内部电流增益的雪崩倍增效应提高了光谱效率。
无论哪种情况,光生电流的大小都与入射光的强度相对应。

PIN管子的样子

这个是大受光面硅 PIN 光电二极管

还有一种是雪崩管:APD 是通过施加反向电压产生的具有内部增益的光电二极管。较之于 PIN 光电二极管,它们具有更高的信噪比 (SNR)、快速响应、低暗电流和高灵敏度的特点。光谱响应范围通常在 200 至 1150 nm 范围内。

弱光探测

阵列

这种是封装了IC,TOF

VL53L0X激光测距传感器.介绍篇 20年居然还写过:

原理就是雪崩管

VL53L0X集成了领先的SPAD阵列(单光子雪崩二极管),并内嵌意法半导体第二代FlightSense™专利技术。

这种都是非常微弱的信号,所以也直接会给出模块:

这样的

真漂亮呀

光电二极管是反向工作的。
光电流:在一定反向电压下,入射光强为某一定值时流过管子的(反向)电流。光电二极管的光电流一般为几十微安,并与入射光强度成正比,该值越大越好。
暗电流:在一定反向电压下,无光照时流过管子的(反向)电流,该值越小越好。

在模拟电路里面我们其实就学了不多的原件,电阻,电容,二极管(因为人类首次可以控制了电流的方向):

这个就是等效模型

一种模型就是这样的等效模型,还有一种是按照物理规律写出来的物理模型,但是一般因素太多,写的不准确。

简化成了,一个理想的二极管,一个和入射辐射强度成比例的电流源,一个电阻(分流,结,漏)和一个电容(结,分流)相关联。

分流电阻是反向情况下测量的,这个反向电压是10mV,一般认为理想值是无穷大,但是在M和G级别,已经非常大了。这么大不影响电路,一般我们就不考虑了。

我们看一个管子

https://www.hamamatsu.com.cn/content/dam/hamamatsu-photonics/sites/documents/99_SALES_LIBRARY/ssd/g12181_series_kird1117e.pdf

可以看到越高越小,我其实不知道平时正常温度是多少

这个电容的来源有很多,比如封装有寄生的,一般都加起和称为终端电容。同样封装的时候有引线和接触点,引入的电阻叫串联电阻,但是一般很小,电路分析里面不考虑。

这个分流电阻和结电容是最需要关注的参数。

还有光谱响应,是给不同波长的响应特性,有量子效率和响应度两个指标。

量子效率就是一个无量纲的比值,描述光电的转换能力.

真不好找啊。。。

超低暗电流的红外光电二极管

https://www.first-sensor.com/cms/upload/datasheets/PC10-6_TO_3001208.pdf

量子效率

雪崩管的内部有增益,输出的电流可以倍增放大,但是计算量子效率的时候,就算初级的光电流,不算倍增系数。

这个时候明显是最高的

接下来是响应度,描述这个输出的电流和入射辐射功率之间的关系,和波长相关。随着波长增加,响应度也变大,达到峰值以后就开始下降。

看这一款

两个部分

参数

雪崩管具有内部增益,输出电流有着倍增的方法,需要看测试条件:

看这个

个别是100倍和50倍

也可以看看量子效率

量子效率是微观角度的描述,响应度是宏观的。响应度最大值的波长称为峰值灵敏度波长。

还是上面两个概念,看一个不一样的参数表示:

https://www.lasercomponents.com/fileadmin/user_upload/home/Datasheets/lc-apd/iag-series-ingaas-apd.pdf

因为都是对波长的响应,所以可以绘制在一起

光子能量是入射光功率在照射时间内所有的能量总和,在百分之百的响应是一条直线,所以这样的拟合一下可以看到原点是被左移动的。

InGaAs这种的材料的额响应波长在900-1700nm

波长越短,频率越高,理论上光谱响应波长没有下限,但是入射波长较短的时候,材料表面的反射会造成入射能量的反射,在PN结耗尽层里面的传播还会被吸收,因此在波长较短的取悦,响应数值会迅速降低。

基本上是符合的,Si材料的更明显

这个是温度响应曲线,波长低于1800nm时,影响小,往后就大了。

这个也是响应度温度特性曲线

如果非常的精密,会加恒温电路。

线性度是电流和入射辐射功率保持的程度和范围。

看这个

由于在很大的范围内都保持良好的线性度,所以使用了双对数坐标

看这个

入射光的功率

它的工作模式主要分为两种:零偏模式和反偏模式。

简单的分类


零偏模式(光伏模式)
工作原理:当光照射到PN结上时,PN结内部产生光生载流子,形成一个开路电压。此时,无需外加电压,光电二极管本身就能产生电动势。

运算放大器的非反相输入端接地,虚短,反相输入端将始终处于大约 0 V。因此,光电二极管的阴极和阳极都保持在 0 V。

无需外加电源,结构简单。
响应速度慢:由于没有外加电压,载流子复合时间较长,响应速度较慢。
输出电压低:输出电压通常较低,一般为几百毫伏。
应用:太阳能电池、光传感器等。


反偏模式(光导模式)
工作原理:在PN结上施加一个反向偏压,扩大耗尽层,增加光生载流子分离的概率,从而提高光电流。


将光电二极管的阳极连接到负电压电源而不是接地。
阴极仍为 0 V,但阳极处于低于 0 V 的某个电压;因此,光电二极管是反向偏置的。
由于有外加反向电压,载流子可以迅速被分离,响应速度快。相比于零偏模式,输出电流更大。

线性度好:输出电流与入射光强度呈线性关系。可以用做:光电探测器、光纤通信等。

这个东西怎么复杂,肯定还有更加复杂的说法。

对PN结施加反向偏置电压会导致耗尽区变宽。

就是这样

在光电二极管应用中有两个有益效果。
首先,更宽的耗尽区使光电二极管更加敏感,当想要产生相对于照度更多的输出信号时,光电导模式合适。

事实上,电压和电荷之间有线性关系就是电容,有电容就和频率有关系


更宽的耗尽区会降低光电二极管的结电容
在上面的电路中,反馈电阻和结电容(以及其他电容源)的存在限制了系统的闭环带宽。与基本 RC 低通滤波器一样,降低电容会增加截止频率。因此,光电导模式允许更宽的带宽,需要最大限度地提高探测器对照度快速变化的响应能力时,光电导模式是首选。
最后,反向偏压还扩展了光电二极管的线性操作范围。如果要在高照度下保持精确的测量,则可以使用光电导模式,然后根据系统要求选择反向偏压电压。

但是,更多的反向偏压也会增加暗电流。
以上可能太抽象了,现在说点比喻的。
想象一个水库
  • 水库:代表光电二极管。
  • 水:代表光子(光粒子)。
  • 水位:代表产生的电势。
零偏模式(光伏模式)
我们建了一个水库,不做任何处理,让雨水自然流入。当下雨时(光照射),水会慢慢蓄起来,水位升高(产生电压)。
特点:简单,不需要额外能量,但出水量(电流)小,响应速度慢。
反偏模式
我们在水库底部安装一个抽水机,不断抽水。当下雨时,雨水流入水库,同时抽水机也在抽水。如果雨下得比抽水快,水位就会上升。
特点:响应速度快,出水量大,但需要消耗能量。
零偏模式就像一个自然形成的小水塘,靠天吃饭。
反偏模式就像一个有抽水机的水库,可以主动控制水位。
选择哪种模式?
如果想省电,对响应速度要求不高,可以选择零偏模式。
如果需要快速响应,对灵敏度要求高,可以选择反偏模式。
打个比方
太阳能电池:利用太阳光产生电能,一般采用零偏模式。
光纤通信中的光接收器:需要快速响应光信号,一般采用反偏模式。
简单来说:
零偏模式:被动等待光照产生电信号。
反偏模式:主动抽取光生电流。
给一个二极管两边加反向的偏置电压(反偏,偏置),没光照的情况下给个电压,会有一个微小的反向电流流过PN结,一定范围内,这个电流不随外置的电压变化,称为反向饱和电流。
但是一直加大,突然这个电流极速增大,这个时候的电压叫反向击穿,击穿了势垒。

这个就是我们的老朋友,2uA

这个的

再看看APD

会大很多,120V-80V

雪崩管只能反偏模式下工作。

然后看看这个雪崩,温度是很能影响的:

看倍增,反偏电压

在反向模式下,没有光,也有个小电流,称为暗电流。pA或者nA级别的:

看这个管子

反偏10V

暗电流随反偏电压变化的曲线,反偏越高,PN结里面的电场越强,载流子更容易变成电流,暗电流越大。温度越高,电流越大。

ADP管子的暗电流有两部分,表面漏电流,本体暗电流。表面的漏电流和倍增没关系,而且温度对这个ADP的漏电很敏感。
下篇继续!

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