Схемы включения фотодиодов

Ток фотодиодов, как правило, невелик и составляет доли – единицы мА. Поэтому успешное применение фотодиодов связано с усилением фототока. Эффективными усилителями тока фотодиодов являются транзисторные каскады, управляемые по базовым цепям (рис. 4.14).

Рис. 4.14

Если нагрузка включена в коллекторную цепь транзистора, то I_н=I_н=I_фb, а если нагрузка включена в эмиттерную цепь, то I_н =I_э=I_ф (b+1).

Распространение получили также усилители фототока, построенные на нескольких транзисторах, включенных по схеме Дарлингтона (рис. 4.15).

Рис. 4.15

Если необходимо линейное (строго пропорциональное) усиление фототока, то применяются транзисторные секции с четко определенным и стабильным коэффициентом усиления по току. Большое распространение получила схема двухкаскадного усилителя на двух биполярных транзисторах (рис. 4.16).

Рис. 4.16

Транзисторная секция охвачена отрицательной обратной связью (ООС) по току, которая действует по цепи R₀₁–R₀₂. Выходной ток I_н формируется в цепи с низкоомным резистором R_н.

Если сопротивление коллекторного резистора R_к достаточно большое и не оказывает заметного влияния на взаимодействие транзисторов VТ₁ и VТ₂, то коэффициент усиления по току секции, не охваченной ООС стремиться к величине b₁(1+b₂) и определяется усилительными возможностями VТ₁ по коллекторной цепи и VТ₂ по эмиттерной цепи.

Входное сопротивление секции без ООС:

где r_б1, r_э1 – сопротивление базы и эмиттера транзистора VT₁.

Коэффициент ООС по току для этой схемы:

.

При достаточно глубокой обратной связи эта схема обеспечивает стабильное усиление фототока с коэффициентом

Входное сопротивление схемы оценивается из выражения:

При этом типовое значение K_Ioc =10…30, а типовое значение
R_вх =9…10 Ом.

Фотодиод при низкоомной нагрузке работает в линейном режиме, поэтому уровень фототока I_ф пропорционален мощности регистрируемого светового потока, а выходной ток этого устройства равен:

 

Рис. 4.17

В аналоговых и цифровых устройствах передачи информации фотодиоды очень часто применяются совместно с операционными усилителями, охваченными глубокой ООС по напряжению (рис. 4.17). ОУ обладают значительным входным сопротивлением и не создают существенной нагрузки на фотодиод. Вместе с тем, с помощью ООС можно активно воздействовать на электрический режим фотоприемника.

В этой схеме, выходное напряжение оценивается из выражения: .

Электрический режим фотодиода определяется двумя факторами: уровнем фототока I_ф, определяемым потоком излучения, и разностью потенциалов на входе ОУ.

Напряжение на фотодиоде: .

Эквивалентное сопротивление нагрузки, шунтирующей фотодиод со стороны ОУ:

Тогда, например, для получиться что

Таким образом, в данной схеме, изменяя глубину ООС можно получать достаточно большой выходной сигнал при высоком быстродействии.При приеме импульсных сигналов сопротивление нагрузки фотодиода должно удовлетворять неравенству: R_нф£ 0.25/f_cC_S,, где f_c – тактовая частота, передаваемой информации; С_S – суммарная паразитная емкость фотодиода и его нагрузки. Отсюда можно получить требование к величине резистора R₀: R₀=0.25(К_u+1)/f_cC_S.