Die Realität bei der Auswahl eines Detektors
Bei der Suche nach einem geeigneten Fotodetektor für Ihre kundenspezifische Platine müssen Sie sich normalerweise die Haare raufen, während Sie ein halbes Dutzend Datenblätter durchgehen. Viele Hersteller manipulieren ihre Zahlen. Sie geben Ihnen eine schöne Sperrschichtkapazität an, verschweigen aber die Tatsache, dass sie den Detektor mit einer massiven Sperrschichtspannung getestet haben, die Ihr Budget für Dunkelstromrauschen komplett sprengen wird.
Wenn Sie als Ingenieur versuchen, einen optischen Schalter, ein Laserausrichtungswerkzeug oder einen Pulsoximetriesensor zu bauen, brauchen Sie unverfälschte Fakten. Heute werden wir ein richtiges Photodioden-Datenblatt erklären. Wir werden die technischen Daten der PDCP08-501, eine Silizium-PIN-Fotodiode der Serie Beephoton PDCP08.
Ehrlich gesagt, meine kontroverse Meinung für den Tag ist, dass 80% der Optik-Ingenieure ihre Sperrvorspannung überspezifizieren. Man muss nicht immer 10 V an die Diode anlegen, nur um sie schnell zu machen. Manchmal sind 0 V oder eine niedrige Vorspannung völlig in Ordnung, wenn man weiß, wie man mit der Transimpedanzverstärkerstufe (TIA) umzugehen hat, und es erspart einem massive Dunkelstrom-Kopfschmerzen. Wir werden uns genau ansehen, wie die PDCP08-501 verhält sich in beiden Szenarien.
Lassen Sie uns aufschlüsseln, was die PDCP08-501 tick, die physikalischen Grundlagen seiner Leistung und wie Sie dieses Ding in Ihre nächste Leiterplatte integrieren können, ohne wie ein Idiot dazustehen.
Was ist der PDCP08-501 überhaupt?
Bevor wir uns mit den komplizierten Berechnungen befassen, sollten wir uns die physikalischen Gegebenheiten ansehen. Die PDCP08-501 ist eine oberflächenmontierte Silizium-PIN-Fotodiode, hergestellt von BeePhoton.
Wenn Sie sich die mechanische Zeichnung ansehen, ist das Gehäuse etwa 4,40 mm mal 3,90 mm groß. Aber was wirklich wichtig ist, ist der lichtempfindliche Bereich. Für die PDCP08-501, erhalten Sie eine aktive Fläche von 2,9 mm x 2,9 mm. Das ist ein riesiges Ziel. Wenn Sie mit Freiraum-Optiken arbeiten oder versuchen, den Strahl einer leicht falsch ausgerichteten IR-LED einzufangen, ist ein fast 3 x 3 mm großer Eimer zum Einfangen von Photonen ein Lebensretter. Sie brauchen keine Submikrometer-Ausrichtungstoleranzen auf Ihrer Montagelinie, was in der Produktion viel Geld spart.
Das Fenstermaterial für die PDCP08-501 ist ein Epoxidharz (CR). Bei seinem Schwesterteil, dem 511, wird ein schwarzes Epoxidharz (BK) verwendet, um das sichtbare Tageslicht zu filtern. Aber das PDCP08-501 ist klar, d. h. es sieht einen großen Teil des Spektrums.
Die elektrooptischen Spezifikationen auseinandernehmen
An dieser Stelle werden die Datenblätter in der Regel undurchsichtig. Wir werden uns die genauen Zahlen ansehen, die für die PDCP08-501 und übersetzen sie in konkrete Auswirkungen auf die Schaltungsentwicklung.
Das Wesentliche: Spektrale Empfindlichkeit
Wenn Ihre Fotodiode die Lichtquelle nicht sehen kann, haben Sie gerade einen sehr teuren Briefbeschwerer gebaut. Die PDCP08-501 hat einen breiten Spektralbereich von 450 nm bis 1100 nm.
Wenn Sie sich das Diagramm der spektralen Empfindlichkeit im Datenblatt ansehen, sehen Sie eine Kurve, die im blauen/grünen Bereich (450 nm) niedrig beginnt und in Richtung Rot und Nahinfrarot (NIR) aggressiv ansteigt. Die höchste Empfindlichkeitswellenlänge (lambda_p) liegt bei 940 nm.
Bei 940 nm wird die PDCP08-501 weist eine Lichtempfindlichkeit (S) von 0,7 A/W auf.
Was bedeuten eigentlich 0,7 A/W für Ihre Schaltung? Es bedeutet, wenn Sie es schaffen, die PDCP08-501 Wenn die Diode auf der aktiven Fläche mit genau 1 Watt optischer Leistung bei 940 nm betrieben wird (bitte nicht, sonst schmilzt sie, aber mathematisch gesehen), erzeugt sie einen Fotostrom von 0,7 Ampere.
In der realen Welt fangen Sie vielleicht 10 Mikrowatt (10 uW) an optischer Leistung auf.
Fotostrom (I_pd) = 10 uW * 0,7 A/W = 7 Mikroampere (7 uA).
Diese 7 uA sind das Signal, das der Operationsverstärker verstärken muss. Weil die PDCP08-501 Mit einem Spitzenwert von 940 nm ist er ein absoluter Traum für Standard-GaAs IR-LEDs, die in Fernbedienungen, optischen Schaltern und Lichtvorhängen verwendet werden. Außerdem liefert er respektable 0,2 A/W bei 520 nm. Wenn Sie also einen grünen Laser für eine seltsame Ausrichtungsvorrichtung verwenden, ist der PDCP08-501 werden es trotzdem sehen.
Der stille Killer: Dunkler Strom (Id)
Jede Fotodiode gibt Strom ab, selbst bei völliger Dunkelheit. Dabei handelt es sich um die thermische Erzeugung von Elektronen-Loch-Paaren, die als Dunkelstrom bezeichnet wird. Die PDCP08-501 gibt einen typischen Dunkelstrom von 20 pA (max. 1000 pA) an, gemessen bei einer Sperrspannung (Vr) von 10 mV.
20 Picoampere sind sehr niedrig. Aber hier ist der Haken, der jungen Ingenieuren zu schaffen macht: Der Dunkelstrom skaliert mit der Sperrspannung und der Temperatur.
Wenn Sie sich das Diagramm “Dunkler Strom vs. Sperrspannung” für die PDCP08-501, Sie werden feststellen, dass Id bei 0,01 V genau um die 10-20 pA-Marke liegt. Aber wenn Sie entscheiden, dass Sie Ihre PDCP08-501 superschnell zu sein, und man trifft ihn mit 10 V Sperrspannung, schießt der Dunkelstrom auf etwa 100 pA hoch.
Außerdem ist die PDCP08-501 hat einen Temperaturkoeffizienten von Id von 1,13 mal/C. Das bedeutet, dass sich der Dunkelstrom für jedes Grad Celsius, um das sich Ihre Platine erwärmt, um 1,13 multipliziert. Wenn Ihr optischer Schalter in einem heißen Werksgehäuse mit 85 °C betrieben wird, verwandelt sich Ihr ursprünglicher Dunkelstrom von 20 pA in ein massives Grundrauschen. Sie müssen diesen DC-Offset in Ihrem TIA-Design berücksichtigen, normalerweise durch AC-Kopplung der nächsten Stufe oder durch Verwendung einer aktiven Servoschleife, um die DC-Basislinie des PDCP08-501.
Geschwindigkeit und Übergangskapazität (Cj)
Weil die PDCP08-501 eine PIN-Fotodiode ist, verfügt sie über eine intrinsische (I) Schicht, die zwischen den P- und N-Schichten liegt. Diese dicke Verarmungszone trennt die Platten des Kondensators physikalisch voneinander und senkt die Sperrschichtkapazität im Vergleich zu einer Standard-PN-Diode drastisch.
Bei Vr = 0 V ist die PDCP08-501 hat eine typische Sperrschichtkapazität von 70 pF (gemessen bei f=100kHz).
Warum interessieren wir uns für 70 pF? Weil die Kapazität der Geschwindigkeit schadet. Wenn Sie die PDCP08-501 bis zu einem Transimpedanzverstärker bilden die 70 pF mit dem Rückkopplungswiderstand (Rf) einen Tiefpassfilter.
Im Datenblatt wird eine Anstiegszeit (tr) von 0,15 Mikrosekunden (us) für den PDCP08-501 bei einer Prüfung mit Vr=0V und einem Lastwiderstand (Rl) von 1k Ohm.
Überprüfen wir ihre Berechnungen anhand der Standardformel für die RC-Zeitkonstante:
tr ca = 2,2 * Rl * Cj
tr = 2,2 * 1000 Ohm * 70 x 10^-12 Farad
tr = 1,54 x 10^-7 Sekunden = 0,154 us.
Ihr Datenblatt ist genau richtig. Die PDCP08-501 lügt Sie nicht an. Wenn es schneller als 0,15 us sein soll, sehen Sie sich das dritte Diagramm an: “Sperrschichtkapazität vs. Sperrspannung”. Wenn Sie eine Sperrvorspannung von 10 V an den PDCP08-501, wird der Verarmungsbereich breiter, und die Kapazität sinkt drastisch. Eine geringere Kapazität bedeutet eine geringere RC-Zeitkonstante, was eine schnellere PDCP08-501. Denken Sie nur an meine Warnung vor der Dunkelstromstrafe!
Shunt-Widerstand (Rsh)
Die PDCP08-501 hat einen typischen Nebenschlusswiderstand von 0,5 Giga-Ohm (GOhm) bei Vr=10mV.
Der Shunt-Widerstand ist im Grunde die Steigung der I-U-Kurve direkt bei 0 V. Ein hoher Rsh ist kritisch, wenn Sie den PDCP08-501 im photovoltaischen Betrieb (0 V Vorspannung), weil sie das Johnson-Rauschen (thermisches Rauschen) der Diode selbst bestimmt.
Formel für Johnson-Rauschstrom:
Rauschen = sqrt( (4 * k * T * BW) / Rsh )
Dabei ist k die Boltzmann-Konstante, T die Temperatur in Kelvin und BW die Bandbreite.
Weil die PDCP08-501 einen massiven Shunt-Widerstand von 0,5 GOhm hat, ist das von der Diode selbst erzeugte thermische Rauschen praktisch nichts. Das Spannungsrauschen Ihres Operationsverstärkers wird das System wahrscheinlich weit vor dem Spannungsrauschen der Diode dominieren. PDCP08-501‘wird das thermische Rauschen zu einem Problem.
Rauschäquivalente Leistung (NEP)
NEP ist der Heilige Gral der Schwachlichtdetektion. Er gibt die minimale optische Leistung an, die erforderlich ist, um ein Signal-Rausch-Verhältnis von 1 zu erreichen.
Die PDCP08-501 weist ein NEP von 1,5 x 10^-14 W/Hz^(1/2) auf.
Angenommen, Ihre Systembandbreite beträgt 10 kHz.
Gesamtrauschleistung = NEP * sqrt(Bandbreite)
Gesamtrauschleistung = 1,5 x 10^-14 * sqrt(10000)
Gesamtrauschleistung = 1,5 x 10^-14 * 100 = 1,5 x 10^-12 Watt.
Das bedeutet, dass bei einem eingehenden Lichtsignal von 1,5 Pico-Watt das Signal des PDCP08-501 ist genau gleich dem Grundrauschen. Um eine zuverlässige Erkennung zu gewährleisten, sollte das Signal mindestens 10-mal höher sein als dieser Wert. Die Tatsache, dass die PDCP08-501 kann bis in den niedrigen Pikowattbereich hinuntergehen und ist damit unglaublich robust für optische Schalter mit großen Entfernungen, bei denen sich der Strahl ausbreitet und schwach wird.
Real-World App: Warum den Beephoton PDCP08 verwenden?
Ich möchte ein Szenario aus jüngster Zeit schildern, ohne den konkreten Kunden zu nennen. Ein Unternehmen baute einen industriellen Lichtvorhang zur Maschinenüberwachung. Ursprünglich wurde eine gewöhnliche PN-Fotodiode verwendet, aber die Umgebungsbeleuchtung in der Fabrik (Hochfrequenz-LED-Schächte) verursachte massive Fehlauslösungen. Außerdem führten die Vibrationen der Stanzpresse dazu, dass der IR-Strahl des Senders ständig um die Oberfläche des Empfängers tanzte.
Wir tauschten sie gegen die PDCP08-501.
Erstens, die 2,9×2,9 mm große aktive Fläche des PDCP08-501 löste das Vibrationsproblem vollständig. Der Strahl konnte in jeder Richtung einen Millimeter um die Oberfläche tanzen, und die erfasste Gesamtleistung blieb konstant.
Zweitens, weil die PDCP08-501 eine so hohe spektrale Empfindlichkeit bei 940 nm hat, konnten wir ihre 940-nm-IR-Strahler mit einem viel niedrigeren Tastverhältnis betreiben, was Strom spart und die Lebensdauer der LEDs verlängert.
Wir haben die PDCP08-501 in einen einfachen CMOS-Operationsverstärker, der als Transimpedanzverstärker konfiguriert ist. Da wir für einen Lichtvorhang keine Geschwindigkeiten im MHz-Bereich benötigen (einige kHz sind für die Reaktionszeiten der menschlichen Sicherheit ausreichend), haben wir den PDCP08-501 bei 0 V Vorspannung. Dadurch blieb der Dunkelstrom nahe Null, und die 70pF-Kapazität des PDCP08-501 war leicht zu handhaben, indem ein kleiner 2pF-Kompensationskondensator über den Rückkopplungswiderstand des TIA gelegt wurde, um ein Klingeln zu verhindern. Das System wurde kugelsicher.
Si-PIN-Fotodiode Serie PDCP08 PDCP08-501
Leistungsstarke Detektion: Die PDCP08-501 ist eine Hochgeschwindigkeits-Silizium-PIN-Photodiode mit einem transparenten Fenster.
Wesentliche Merkmale: Mit einer aktiven Fläche von 2,9×2,9 mm bietet diese PIN-Fotodiode einen niedrigen Dunkelstrom und eine hohe Empfindlichkeit, was sie zu einem idealen Sensor für allgemeine optische Schalter und Lichterkennungssysteme macht.
Schauen wir uns das Überleben der Umwelt an
Bei Datenblättern geht es nicht nur um optische Reinheit, sondern auch um das Überleben in der realen Welt.
Die absoluten Höchstwerte für die PDCP08-501 zeigen, dass es zwischen -40C und +100C arbeiten kann (Topr).
Der Temperaturbereich von -40°C bis +100°C deckt fast alle Anforderungen im Automobilbereich und in der rauen Industrie ab, abgesehen von der direkten Verschraubung mit einem Auspuffkrümmer.
Die PDCP08-501 hat auch eine ESD-Bewertung von 1000 V (Human Body Model). Nun, 1000 V mögen viel klingen, aber ein Mensch, der über einen Teppich schlurft, kann leicht 5000 V aufbauen. Während die PDCP08-501 robust ist, müssen Sie dennoch geeignete ESD-Erdungsbänder verwenden, wenn Sie diese bei der manuellen Leiterplattenmontage handhaben. Ziehen Sie sie nicht aus der Rolle, ohne sich selbst zu erden, oder Sie werden die schöne 20pA Dunkelstromspezifikation dauerhaft beeinträchtigen.
Auch das Löten. Die PDCP08-501 eine maximale Löttemperatur (Tsol) von 260C für 3 Sekunden einhalten. Wenn Sie Prototypen von Hand löten, halten Sie sich nicht auf den Lötaugen auf. Setzen Sie den Lötkolben an, lassen Sie das Lot aufschmelzen und gehen Sie wieder. Wenn Sie die Epoxidharzlinse des Prototypen einbrennen PDCP08-501 zu lange, verursachen Sie durch thermische Spannungen Mikrobrüche, die die optische Klarheit beeinträchtigen und den Richtungswinkel verändern (der von Haus aus +/- 65 Grad für das PDCP08-501).
Die Spezifikationen, die wirklich wichtig sind
Hier ist ein kurzer Spickzettel für die PDCP08-501 wenn Sie Ihre Spice-Modelle nachbilden.
| Parameter | Symbol | PDCP08-501 Wert | Warum Sie das interessieren sollte |
|---|---|---|---|
| Aktiver Bereich | Bereich | 2,9 x 2,9 mm | Größer ist physisch leichter auszurichten. |
| Peak-Wellenlänge | lambda_p | 940 nm | Passen Sie Ihre LED genau an diese Zahl an, um maximale Effizienz zu erzielen. |
| Lichtempfindlichkeit | S | 0,7 A/W (@940nm) | Bestimmt Ihren Rohsignalstrom. |
| Dunkler Strom | Id | 20 pA (typisch) | Ihr Basis-Gleichstromrauschpegel bei niedriger Vorspannung. |
| Abzweigkappe | Cj | 70 pF (typisch) | Bestimmt die Bandbreite Ihrer TIA-Operationsverstärkerschaltung. |
| Anstiegszeit | tr | 0,15 us | Der schnellste Impuls der PDCP08-501 sauber bei 0 V ausgeben kann. |
| Shunt-Widerstand | Rsh | 0,5 GOhm | Verhindert, dass die Diode ihr eigenes thermisches Rauschen erzeugt. |
Entwurf des Transimpedanz-Verstärkers (TIA) für den PDCP08-501
Da wir schon tief im Unkraut sind, lassen Sie uns über die Schaltung sprechen. Der häufigste Fehler, den ich sehe, ist, dass die Ingenieure die PDCP08-501 bis zu einem Standard-Spannungsverstärker. Tun Sie das nicht. Fotodioden sind Stromquellen. Sie benötigen einen Strom-Spannungs-Wandler (TIA).
Sie schließen die Anode der PDCP08-501 an den invertierenden Eingang (-) Ihres Operationsverstärkers und die Kathode an Masse (bei Photovoltaikbetrieb). Der nicht invertierende Eingang (+) ist mit Masse verbunden. Sie setzen einen Rückkopplungswiderstand (Rf) zwischen den Ausgang des Operationsverstärkers und den invertierenden Eingang.
Die Ausgangsspannung ist einfach:
Vout = I_pd * Rf
Wenn die PDCP08-501 erzeugt 1 Mikroampere Strom aus einem IR-Strahl, und Sie verwenden einen 1-Mega-Ohm-Rf:
Vout = 1 uA * 1.000.000 Ohm = 1 Volt.
Aber hier ist die PDCP08-501‘Die 70pF-Kapazität (Cj) kämpft gegen Sie. Dieses Cj sitzt direkt über den Eingängen des Operationsverstärkers. Sie erzeugt einen Pol in der Rauschverstärkung des Verstärkers, was dazu führt, dass Ihr Operationsverstärker oszilliert und eine massive Sinuswelle anstelle Ihres Signals ausgibt.
Um dies zu beheben mit dem PDCP08-501, müssen Sie einen Rückkopplungskondensator (Cf) berechnen, den Sie parallel zu Ihrem Rf schalten.
Die Lehrbuchformel für ideale Stabilität lautet:
Cf = sqrt( C_Gesamt / (2 * pi * Rf * GBW) )
Dabei ist C_total die PDCP08-501 Kapazität (70pF) plus die Eingangskapazität des Operationsverstärkers (normalerweise ~5pF), und GBW ist das Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt des gewählten Operationsverstärkers.
Weil die PDCP08-501 hat einen relativ niedrigen Wert von 70pF für seine große Größe, Cf liegt normalerweise bei 1pF bis 3pF. Dieser kleine Kompensationskondensator stellt sicher, dass Ihr PDCP08-501 gibt scharfe, saubere Rechteckwellen aus, wenn der optische Strahl unterbrochen wird.
Si-PIN-Fotodiode Serie PDCP08 PDCP08-502
Die PDCP08-502 ist eine 2,9×2,8 mm große Silizium-PIN-Photodiode mit hohem Ansprechverhalten, die für fotoelektrische Präzisionsanwendungen entwickelt wurde. Mit niedriger Sperrschichtkapazität, niedrigem Dunkelstrom und einem breiten Spektralbereich (340-1100 nm) ist sie das ideale Bauteil für optische Schalter und kompakte Sensormodule, die eine stabile und schnelle Signalausgabe erfordern.
FAQ: Schnellfeuer PDCP08-501 Fragen
Kann ich den PDCP08-501 zur Erfassung von sichtbarem Licht verwenden?
Ja, absolut. Während die PDCP08-501 Die spektrale Empfindlichkeitskurve zeigt, dass das Gerät bei 940 nm (IR) seinen Höhepunkt erreicht und bis zu 450 nm sehr empfindlich ist. Sie funktioniert hervorragend mit roten (650nm) und grünen (520nm) Lasern. Wenn Sie nur Wenn Sie IR-Licht benötigen und sichtbares Licht blockieren möchten, sollten Sie sich stattdessen den PDCP08-511 ansehen, der einen schwarzen Tageslichtfilter hat.
Warum hat mein PDCP08-501-Schaltkreis so viel Lärm, wenn er heiß wird?
Denken Sie an den Temperaturkoeffizienten von 1,13 mal/C. Wenn Ihre Platine heiß wird, wird der Dunkelstrom der PDCP08-501 exponentiell ansteigt. Wenn Sie einen massiven Rückkopplungswiderstand haben (z. B. 10 Meg-Ohm), verwandelt sich dieser Dunkelstrom in einen riesigen Gleichspannungsoffset. Versuchen Sie bei hohen Temperaturen, Ihre Sperrvorspannung auf 0 V zu reduzieren, um den Dunkelstrom wieder zu reduzieren.
Ist der PDCP08-501 schnell genug für die Datenübertragung über Glasfaserkabel?
Nein. Die PDCP08-501 hat eine Anstiegszeit von 0,15us (150 Nanosekunden). Das ergibt eine Bandbreite im niedrigen Megahertz-Bereich. Sie ist ideal für optische Schalter, Lichtvorhänge, Encoder und Fernbedienungen. Glasfaserdaten, die mit Gigabit pro Sekunde übertragen werden, erfordern viel kleinere InGaAs-Photodioden mit Kapazitäten im Sub-1pF-Bereich. Die PDCP08-501 ist auf Robustheit und leichte Erfassungsfläche ausgelegt, nicht auf Gigahertz-Geschwindigkeit.
Zeit, etwas Cooles zu bauen?
Hoffentlich hat Ihnen dieser tiefgehende Einblick ein paar Stunden Kopfzerbrechen erspart. Hören Sie auf, sich mit minderwertigen Dioden herumzuschlagen, die bei Temperaturschwankungen völlig aus dem Ruder laufen. Die PDCP08-501 bietet einen riesigen Aufnahmebereich von 2,9×2,9 mm, einen extrem niedrigen Dunkelstrom von 20 pA und die Zuverlässigkeit, die Sie für industrielle Designs benötigen.
Wenn Sie bereit sind, mit dem Breadboarding aufzuhören und in die Produktion einzusteigen, brauchen Sie die richtigen Teile in Ihren Händen. Sie können sich die genauen Spezifikationen und erkunden Sie den PDCP08-501 hier.
Haben Sie eine ungewöhnliche Anwendung? Versuchen Sie herauszufinden, ob die PDCP08-501 Ihre spezielle Umweltkammer überleben wird? Raten Sie nicht nur. Wenden Sie sich an die Ingenieure, die diese Dinge tatsächlich bauen. Gehen Sie zur BeePhoton Kontakt Seite oder senden Sie eine E-Mail direkt an info@photo-detector.com. Wir lieben es, über Schaltungsdesign zu sprechen, und wir können Ihnen die Muster besorgen, die Sie brauchen, damit Ihr nächster Prototyp auf Anhieb funktioniert.
