Разработка аналоговой части проектируемых устройств, страница 11

где     I – прямой ток диода при падении напряжения U;   IS  ­ ток насыщения диода  при  обратном напряжении; q – элементарный электрический заряд (1.6 × 10-19 Кл);  k – постоянная Больцмана (1.38 × 10-23 J / K );  T – абсолютная температура, K;    IPH = SFF – ток, созданный фотонами; SF – интегральная светочувствительность, мА/лм, реже мкА/лк; F – приходящий на фотодиод световой поток, лм. У некоторых диодов чувствительность задается в миллиамперах на ватты (энергетическая чувствительность SP), но тогда должна быть указана cоответствующая ей длина волны.

Выражение (2.5) определяет три основных режима работы фотодиода:

1. Режим короткого замыкания. Для достижения этого режима необходимо создать короткое замыкание  между катодом и анодом фотодиода (U = 0).  В  этом случае  выражение  (2.5)  приводится  к простому виду: I = - IPH =  -SF.         

Данный режим характеризуется пропорциональной зависимостью тока от падающего оптического потока. Эксперименты показывают, что эта пропорциональность сохраняется при изменении оптического потока в 6...7 декадах. Это очень важно для фотометрии. Чувствительность фотодиода, указываемая в технической документации, приводится обычно именно для этого режима. Чувствительность зависит от площади приемной поверхности диода и от длины волны. Этот режим является наименее чувствительным к колебаниям температуры.

2. Фотогальванический режим. В фотогальваническом режиме измеряют ЭДС фотодиода с помощью вольтметра, обладающего бесконечно большим входным сопротивлением (I= 0). Разрешая выражение (2.5) относительно  U  при  условии,  что  I= 0,  получим:  U= kT ln[( IPH / IS ) +1].

Этот режим интересен для практики логарифмической зависимостью выходного напряжения от входного потока. Выходной сигнал диода изменяется от нуля до значений вблизи напряжения насыщения (0.6…0.7 В). Влияние температуры на выходной сигнал в этом режиме значительно.

        3. Режим фотопроводимости, или фотодиодный режим. Для достижения этого режима последовательно с фотодиодом включают резистор и подают на полученную цепь обратное напряжение -UA  (“–” в направлении анода и “+” к катоду фотодиода). В режиме темнового тока (F = 0) внутреннее сопротивление диода достаточно велико и на нем будет падать практически все напряжение, приложенное к делителю. По мере того как увеличивается оптический поток, обратное сопротивление диода будет уменьшаться и напряжение питания -UА начнет делиться между диодом и последовательно включенным резистором. Для лучистого потока очень высокой интенсивности можно предположить U = 0, и ток цепи будет ограничен в этом случае лишь последовательным резистором. Как и в предыдущем случае, изменение температуры влияет на результат измерений, но это влияние зависит от выбора сопротивления резистора и напряжения -UА.

Электрическиесхемыподключения фотодиодак усилителю  для  всех рассмотренных режимов работы представлены на рис. 2.12.

       Рис. 2.12.  Первые каскады усиления сигналов фотодиода в режимах:

                а ­ короткого замыкания; б ­ фотогальваническом;

                         в­ с дифференциальным входным сигналом;

                                     г­ фотопроводимости

Схема на рис. 2.12, аявляется преобразователем“ток ­ напряжение”. В соответствии с “золотым правилом”, мы вправе рассматривать входы операционного усилителя эквипотенциальными, и значит, имеющими в рассматриваемой схеме нулевой потенциал. С другой стороны, в соответствии с этим же правилом, ток не может течь на вход усилителя. Для того чтобы это выполнялось, ток, входящий в точку “виртуального нуля”, должен равняться току, выходящему из него. В результате падение напряжения на резисторе R создается током, равным току фотодиода в режиме короткого замыкания, и является выходным напряжением операционного усилителя Uвых. Максимальное сопротивление R определяется напряжением насыщения выходного сигнала усилителя Uнас при известном максимальном токе фотодиода Iфд maxIфд max  R < Uнас. Заметим, что для операционных усилителей среднего качества не рекомендуется сопротивление резистора R более 1 MОм.