Amplificateur de transimpédance à phototransistor

J'ai un phototransistor NPN typique. Je le fais fonctionner dans une configuration à collecteur commun; voir la figure 2 de cette note d'application .

Augmenter Re augmentera la sensibilité, mais diminuera la vitesse. J'étudie les phototransistors depuis quelques jours maintenant, et je pense qu'un amplificateur de transimpédance peut me donner une sensibilité supplémentaire sans sacrifier la vitesse, car je n'aurai plus besoin de recharger l'émetteur.

Cependant, je n'arrive pas à trouver des implémentations simples. La grande majorité des notes d'application décrivent des photodiodes. Contrairement à une photodiode, un phototransistor doit être polarisé, et les quelques notes d'application qui discutent de l'utilisation de phototransistors supposent la présence d'une tension de polarisation négative dans leurs amplificateurs de transimpédance. J'ai besoin d'une solution qui fonctionne avec un ampli-op à alimentation unique.

Une masse virtuelle sur l'entrée non inverseuse de l'amplificateur à transimpédance polariserait-elle correctement le phototransistor? Le sol virtuel est généralement à mi-chemin entre VCC et GND, mais je ne pense pas que ce soit le cas. Ma tension de saturation de phototransistor est de 0,15 V; étant donné VCC = 3,3 V, cela signifie-t-il que mon sol virtuel pourrait être à ~ 3 V?

Y a-t-il une meilleure façon de concevoir ce circuit? J'aimerais que la sortie se rapproche le plus possible de GND, car il y aura probablement un amplificateur de deuxième étage.

ÉDITER:

Plus de détails sur l'application. Je sens des niveaux de lumière; bas, très bas et éteint. Il n'y a aucun problème avec la lumière ambiante, donc je préfère ne pas trop me concentrer sur l'aspect phototransistor de cette question. La largeur de bande d'intérêt est d'environ 1 à 10 kHz. Le collectionneur commun fonctionne presque ; J'ai élevé Re aussi haut que possible tout en conservant la bande passante que je veux, mais j'aimerais toujours que Re soit 2x plus grand, ce qui donne un signal trop lent.

J'ai essayé de faire moi-même un projet à très faible luminosité ces 2 derniers jours avec des photodiodes et des phototransistors. C'est pour les gens comme moi et l'affiche originale qui poussent la détection de la lumière sans photomultiplicateur à la limite (inférieure à 0,1 mW / cm ^ 2).

J'ai regardé le premier module récepteur et sa détection d'irradiance minimale était de 0,2 mW / m ^ 2, ce qui est environ 10 000 fois plus (moins capable) que ce que les photodiodes et phototransistors discrets peuvent faire (peut-être qu'ils voulaient dire cm ^ 2 au lieu de m ^ 2? ). Ni l'un ni l'autre ne sont bons pour des niveaux de lumière vraiment faibles selon "Art of Electronics" (1 uA par uW de lumière page 996), totalement incapables de se rapprocher de ce que l'œil humain peut faire en raison du courant de fuite et du bruit. Il décrit l'utilisation de photomultiplicateurs qui peuvent être nécessaires si vos niveaux d'éclairage sont trop faibles. Cependant, en faisant briller la lumière entre mes doigts dans une pièce bien éclairée, je peux voir ce que mon œil ne peut pas détecter sur un oscilliscope (avec PhotoDiode ou PhotoTransistor).

En supposant que son 1 uA par uW est correct, voici un exemple: les photodiodes et les phototransistors de 5 mm ont une surface de 20 micro m ^ 2. Donc 1 uW / m ^ 2 (1 / 1000ème de lumière du soleil à midi) générerait 20 uA (selon Art of Electr). [[Le 1 / 1000ème de la lumière du soleil à midi est de 1 W / m ^ 2, ce qui est environ deux fois plus puissant qu'une lampe à incandescence de 20 W à 1 mètre (sortie de lumière de 6 W sur une surface de 12 m ^ 2 d'une sphère environnante). ]]

Cependant, ma fiche technique de phototransistor 880 nm indique 600 uA à 1 W / m ^ 2 (0,1 mW / cm ^ 2), ce qui est 30 fois plus. Cela suppose que toute la lumière se trouve dans la plage active de la jonction de la diode.

Sharp a une bien meilleure note d'application, mais il semble manquer d'expliquer quelle conception est la meilleure pour quelles situations. La figure 13 est plus applicable à ce dont l'affiche originale et j'ai besoin, et la figure 10B est très intéressante, mais je ne sais pas ce qu'ils entendent par «améliore la réponse». http://physlab.lums.edu.pk/images/1/10/Photodiode_circuit.pdf

Lorsqu'il est utilisé avec un ampli op, un phototransistor peut ne pas être capable d'obtenir un gain aussi bon qu'une photodiode pour des niveaux de lumière très faibles car il utilise une méthode "bon marché" pour obtenir son gain initial (transistor au lieu d'un ampli op). Je soupçonne qu'une photodiode avec un ampli op JFET (courant d'entrée très faible) fournirait finalement un gain plus élevé avec moins de bruit. Dans tous les cas, la photodiode ou le phototransistor avec la plus grande zone de réception optique pourraient avoir la meilleure capacité de détecter de faibles niveaux de lumière, mais cela pourrait également augmenter le bruit et les fuites d'une quantité proportionnelle et ils sont généralement le problème sous-jacent. Il y a donc une limite à ce type de détection de lumière et des phototransistors et photodiodes idéalement efficaces peuvent finalement être tout aussi bons lorsqu'ils sont utilisés avec un ampli op, mais en théorie, je pense que la photodiode est un peu meilleure.

Pour l'ampli op à double alimentation, vous pouvez utiliser une paire de résistances de valeur «faible» (deux 1 k pour 10 V Vcc pour obtenir une polarisation de 5 mA) pour diviser la tension afin de créer une fausse masse pour le + Vin.

J'ai trouvé R = 1M pour la résistance de rétroaction beaucoup mieux que R = 4,7M. Forrest Mimms dans son livre opto simple a utilisé un 10 M avec un 0.002uF parallèle et une cellule solaire au lieu d'un phototransistor ou d'une photodiode pour des niveaux de lumière "extrêmement" faibles (peut-être qu'une cellule solaire serait mieux pour votre application) Il semble que tout PN les jonctions semblent fonctionner comme une cellule solaire dans une certaine mesure, comme je l'ai lu sur l'utilisation de petites diodes à signal transparent pour détecter la lumière. J'utilise une LED régulière à 830 nm comme "photodiode".

L'angle de l'objectif de la diode optique de 5 mm que vous utilisez fait une grande différence. +/- 10 degrés est environ 4 fois plus sensible que +/- 20 degrés .... si la source de lumière provient de moins de +/- 10 degrés. Si la source de lumière est une grande zone située à +/- 20 degrés devant, cela n'a pas d'importance.

J'ai testé les deux circuits ci-dessous. Je pourrais détecter des impulsions de 0,3 V, 5 ms sur la Vo du phototransistor, ce qui signifie 0,3 uA, ce qui signifie 0,05 uW / cm ^ 2 si ma lecture de la fiche technique est correcte et si elle est restée linéaire (grand if) jusqu'à 0,3 uA. C'était peut-être 5 uW / cm ^ 2. Si 0,05 uW / cm ^ 2 est correct, alors la LED 830 standard était en train de lire jusqu'à 0,5 uW / cm ^ 2. Je brillais une lumière de 10 mW à 830 nm à travers 1 cm de tissu (mon doigt). Je sais que si les niveaux d'éclairage avec lesquels je travaillais étaient rouges, cela aurait été à peine visible. Le lien ci-dessous montre l'utilisation d'une rétroaction de 500 M ohms avec une photodiode, indiquant des niveaux de lumière beaucoup plus faibles. Remarquez l'orientation de leur photodiode, qui est la même que ma LED (à l'envers de la plupart des liens Internet). J'ai obtenu de meilleurs résultats de cette façon.

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

Je pensais aussi à un amplificateur opamp inverseur. La chose la plus agréable serait une double alimentation afin que vous n'ayez pas à polariser les entrées pour créer une masse virtuelle. L'image montre le schéma. Vous aurez un signal positif référencé à la masse: plus de lumière = une tension de sortie plus élevée.

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

$V_{CC}$

modifier dd. 2012-08-15
Dans cette réponse, Alfred a montré qu'une photodiode absorbera également le courant sans chute de tension à travers elle. Cela signifie que nous n'avons pas besoin de l'offre négative, et une seule offre est possible:

Assurez-vous qu'il s'agit d'un ampli-op RRIO (Rail-to-Rail I / O).

edit
Dans ce qui précède, j'ai supposé que vous vouliez mesurer des niveaux de lumière, c'est-à-dire des valeurs analogiques. Mais en relisant votre question, cela ne dit nulle part que vous le faites. La mention de la vitesse suggère la réception d'un code d'impulsion. Si c'est ce que vous voulez, à quoi ressemble le signal? Quelle est la longueur d'onde (IR ou lumière visible?) Ne pouvez-vous pas utiliser un module récepteur IR ?

Si vous avez vraiment besoin de flexibilité, envisagez d'utiliser une photodiode au lieu d'un phototransistor - vous construisez déjà un ampli à transimpédance, alors pourquoi ne pas aller jusqu'au bout?

En outre, il existe un excellent livre sur le sujet, avec de nombreux exemples de circuits détaillés, à faible bruit et / ou à grande vitesse.
Construire des systèmes électro-optiques: tout faire fonctionner, par Hobbs .