Ehrlich gesagt, meine kontroverse Meinung f\u00fcr den Tag ist, dass 80% der Optik-Ingenieure ihre Sperrvorspannung \u00fcberspezifizieren. Man muss nicht immer 10 V an die Diode anlegen, nur um sie schnell zu machen. Manchmal sind 0 V oder eine niedrige Vorspannung v\u00f6llig in Ordnung, wenn man wei\u00df, wie man mit der Transimpedanzverst\u00e4rkerstufe (TIA) umzugehen hat, und es erspart einem massive Dunkelstrom-Kopfschmerzen. Wir werden uns genau ansehen, wie die PDCP08-501<\/strong> verh\u00e4lt sich in beiden Szenarien.<\/p>\n\n\n\n Lassen Sie uns aufschl\u00fcsseln, was die PDCP08-501<\/strong> tick, die physikalischen Grundlagen seiner Leistung und wie Sie dieses Ding in Ihre n\u00e4chste Leiterplatte integrieren k\u00f6nnen, ohne wie ein Idiot dazustehen.<\/p>\n\n\n\n Bevor wir uns mit den komplizierten Berechnungen befassen, sollten wir uns die physikalischen Gegebenheiten ansehen. Die PDCP08-501<\/strong> ist eine oberfl\u00e4chenmontierte Silizium-PIN-Fotodiode, hergestellt von BeePhoton<\/a><\/strong>.<\/p>\n\n\n\n Wenn Sie sich die mechanische Zeichnung ansehen, ist das Geh\u00e4use etwa 4,40 mm mal 3,90 mm gro\u00df. Aber was wirklich wichtig ist, ist der lichtempfindliche Bereich. F\u00fcr die PDCP08-501<\/strong>, erhalten Sie eine aktive Fl\u00e4che 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 gro\u00dfer Eimer zum Einfangen von Photonen ein Lebensretter. Sie brauchen keine Submikrometer-Ausrichtungstoleranzen auf Ihrer Montagelinie, was in der Produktion viel Geld spart.<\/p>\n\n\n\n Das Fenstermaterial f\u00fcr die PDCP08-501<\/strong> 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<\/strong> ist klar, d. h. es sieht einen gro\u00dfen Teil des Spektrums.<\/p>\n\n\n\n An dieser Stelle werden die Datenbl\u00e4tter in der Regel undurchsichtig. Wir werden uns die genauen Zahlen ansehen, die f\u00fcr die PDCP08-501<\/strong> und \u00fcbersetzen sie in konkrete Auswirkungen auf die Schaltungsentwicklung.<\/p>\n\n\n\n Wenn Ihre Fotodiode die Lichtquelle nicht sehen kann, haben Sie gerade einen sehr teuren Briefbeschwerer gebaut. Die PDCP08-501<\/strong> hat einen breiten Spektralbereich von 450 nm bis 1100 nm.<\/p>\n\n\n\n Wenn Sie sich das Diagramm der spektralen Empfindlichkeit im Datenblatt ansehen, sehen Sie eine Kurve, die im blauen\/gr\u00fcnen Bereich (450 nm) niedrig beginnt und in Richtung Rot und Nahinfrarot (NIR) aggressiv ansteigt. Die h\u00f6chste Empfindlichkeitswellenl\u00e4nge (lambda_p) liegt bei 940 nm.<\/p>\n\n\n\n Bei 940 nm wird die PDCP08-501<\/strong> weist eine Lichtempfindlichkeit (S) von 0,7 A\/W auf. In der realen Welt fangen Sie vielleicht 10 Mikrowatt (10 uW) an optischer Leistung auf. Diese 7 uA sind das Signal, das der Operationsverst\u00e4rker verst\u00e4rken muss. Weil die PDCP08-501<\/strong> Mit einem Spitzenwert von 940 nm ist er ein absoluter Traum f\u00fcr Standard-GaAs IR-LEDs, die in Fernbedienungen, optischen Schaltern und Lichtvorh\u00e4ngen verwendet werden. Au\u00dferdem liefert er respektable 0,2 A\/W bei 520 nm. Wenn Sie also einen gr\u00fcnen Laser f\u00fcr eine seltsame Ausrichtungsvorrichtung verwenden, ist der PDCP08-501<\/strong> werden es trotzdem sehen.<\/p>\n\n\n\n Jede Fotodiode gibt Strom ab, selbst bei v\u00f6lliger Dunkelheit. Dabei handelt es sich um die thermische Erzeugung von Elektronen-Loch-Paaren, die als Dunkelstrom bezeichnet wird. Die PDCP08-501<\/strong> gibt einen typischen Dunkelstrom von 20 pA (max. 1000 pA) an, gemessen bei einer Sperrspannung (Vr) von 10 mV.<\/p>\n\n\n\n 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.<\/p>\n\n\n\n Wenn Sie sich das Diagramm \u201cDunkler Strom vs. Sperrspannung\u201d f\u00fcr die PDCP08-501<\/strong>, 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<\/strong> superschnell zu sein, und man trifft ihn mit 10 V Sperrspannung, schie\u00dft der Dunkelstrom auf etwa 100 pA hoch.<\/p>\n\n\n\n Au\u00dferdem ist die PDCP08-501<\/strong> hat einen Temperaturkoeffizienten von Id von 1,13 mal\/C. Das bedeutet, dass sich der Dunkelstrom f\u00fcr jedes Grad Celsius, um das sich Ihre Platine erw\u00e4rmt, um 1,13 multipliziert. Wenn Ihr optischer Schalter in einem hei\u00dfen Werksgeh\u00e4use mit 85 \u00b0C betrieben wird, verwandelt sich Ihr urspr\u00fcnglicher Dunkelstrom von 20 pA in ein massives Grundrauschen. Sie m\u00fcssen diesen DC-Offset in Ihrem TIA-Design ber\u00fccksichtigen, normalerweise durch AC-Kopplung der n\u00e4chsten Stufe oder durch Verwendung einer aktiven Servoschleife, um die DC-Basislinie des PDCP08-501<\/strong>.<\/p>\n\n\n\n Weil die PDCP08-501<\/strong> eine PIN-Fotodiode ist, verf\u00fcgt sie \u00fcber 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 Sperrschichtkapazit\u00e4t im Vergleich zu einer Standard-PN-Diode drastisch.<\/p>\n\n\n\n Bei Vr = 0 V ist die PDCP08-501<\/strong> hat eine typische Sperrschichtkapazit\u00e4t von 70 pF (gemessen bei f=100kHz).<\/p>\n\n\n\n Warum interessieren wir uns f\u00fcr 70 pF? Weil die Kapazit\u00e4t der Geschwindigkeit schadet. Wenn Sie die PDCP08-501<\/strong> bis zu einem Transimpedanzverst\u00e4rker bilden die 70 pF mit dem R\u00fcckkopplungswiderstand (Rf) einen Tiefpassfilter.<\/p>\n\n\n\n Im Datenblatt wird eine Anstiegszeit (tr) von 0,15 Mikrosekunden (us) f\u00fcr den PDCP08-501<\/strong> bei einer Pr\u00fcfung mit Vr=0V und einem Lastwiderstand (Rl) von 1k Ohm. Ihr Datenblatt ist genau richtig. Die PDCP08-501<\/strong> l\u00fcgt Sie nicht an. Wenn es schneller als 0,15 us sein soll, sehen Sie sich das dritte Diagramm an: \u201cSperrschichtkapazit\u00e4t vs. Sperrspannung\u201d. Wenn Sie eine Sperrvorspannung von 10 V an den PDCP08-501<\/strong>, wird der Verarmungsbereich breiter, und die Kapazit\u00e4t sinkt drastisch. Eine geringere Kapazit\u00e4t bedeutet eine geringere RC-Zeitkonstante, was eine schnellere PDCP08-501<\/strong>. Denken Sie nur an meine Warnung vor der Dunkelstromstrafe!<\/p>\n\n\n\n Die PDCP08-501<\/strong> hat einen typischen Nebenschlusswiderstand von 0,5 Giga-Ohm (GOhm) bei Vr=10mV. Formel f\u00fcr Johnson-Rauschstrom: Weil die PDCP08-501<\/strong> einen massiven Shunt-Widerstand von 0,5 GOhm hat, ist das von der Diode selbst erzeugte thermische Rauschen praktisch nichts. Das Spannungsrauschen Ihres Operationsverst\u00e4rkers wird das System wahrscheinlich weit vor dem Spannungsrauschen der Diode dominieren. PDCP08-501<\/strong>\u2018wird das thermische Rauschen zu einem Problem.<\/p>\n\n\n\n NEP ist der Heilige Gral der Schwachlichtdetektion. Er gibt die minimale optische Leistung an, die erforderlich ist, um ein Signal-Rausch-Verh\u00e4ltnis von 1 zu erreichen.<\/p>\n\n\n\n Die PDCP08-501<\/strong> weist ein NEP von 1,5 x 10^-14 W\/Hz^(1\/2) auf.<\/p>\n\n\n\n Angenommen, Ihre Systembandbreite betr\u00e4gt 10 kHz. Das bedeutet, dass bei einem eingehenden Lichtsignal von 1,5 Pico-Watt das Signal des PDCP08-501<\/strong> ist genau gleich dem Grundrauschen. Um eine zuverl\u00e4ssige Erkennung zu gew\u00e4hrleisten, sollte das Signal mindestens 10-mal h\u00f6her sein als dieser Wert. Die Tatsache, dass die PDCP08-501<\/strong> kann bis in den niedrigen Pikowattbereich hinuntergehen und ist damit unglaublich robust f\u00fcr optische Schalter mit gro\u00dfen Entfernungen, bei denen sich der Strahl ausbreitet und schwach wird.<\/p>\n\n\n\n Ich m\u00f6chte ein Szenario aus j\u00fcngster Zeit schildern, ohne den konkreten Kunden zu nennen. Ein Unternehmen baute einen industriellen Lichtvorhang zur Maschinen\u00fcberwachung. Urspr\u00fcnglich wurde eine gew\u00f6hnliche PN-Fotodiode verwendet, aber die Umgebungsbeleuchtung in der Fabrik (Hochfrequenz-LED-Sch\u00e4chte) verursachte massive Fehlausl\u00f6sungen. Au\u00dferdem f\u00fchrten die Vibrationen der Stanzpresse dazu, dass der IR-Strahl des Senders st\u00e4ndig um die Oberfl\u00e4che des Empf\u00e4ngers tanzte.<\/p>\n\n\n\n Wir tauschten sie gegen die PDCP08-501<\/strong>.<\/p>\n\n\n\n Erstens, die 2,9\u00d72,9 mm gro\u00dfe aktive Fl\u00e4che des PDCP08-501<\/strong> l\u00f6ste das Vibrationsproblem vollst\u00e4ndig. Der Strahl konnte in jeder Richtung einen Millimeter um die Oberfl\u00e4che tanzen, und die erfasste Gesamtleistung blieb konstant.<\/p>\n\n\n\n Zweitens, weil die PDCP08-501<\/strong> eine so hohe spektrale Empfindlichkeit bei 940 nm hat, konnten wir ihre 940-nm-IR-Strahler mit einem viel niedrigeren Tastverh\u00e4ltnis betreiben, was Strom spart und die Lebensdauer der LEDs verl\u00e4ngert.<\/p>\n\n\n\n Wir haben die PDCP08-501<\/strong> in einen einfachen CMOS-Operationsverst\u00e4rker, der als Transimpedanzverst\u00e4rker konfiguriert ist. Da wir f\u00fcr einen Lichtvorhang keine Geschwindigkeiten im MHz-Bereich ben\u00f6tigen (einige kHz sind f\u00fcr die Reaktionszeiten der menschlichen Sicherheit ausreichend), haben wir den PDCP08-501<\/strong> bei 0 V Vorspannung. Dadurch blieb der Dunkelstrom nahe Null, und die 70pF-Kapazit\u00e4t des PDCP08-501<\/strong> war leicht zu handhaben, indem ein kleiner 2pF-Kompensationskondensator \u00fcber den R\u00fcckkopplungswiderstand des TIA gelegt wurde, um ein Klingeln zu verhindern. Das System wurde kugelsicher.<\/p>\n\n\n\n Leistungsstarke Detektion: Die PDCP08-501 ist eine Hochgeschwindigkeits-Silizium-PIN-Photodiode mit einem transparenten Fenster. Bei Datenbl\u00e4ttern geht es nicht nur um optische Reinheit, sondern auch um das \u00dcberleben in der realen Welt. Der Temperaturbereich von -40\u00b0C bis +100\u00b0C deckt fast alle Anforderungen im Automobilbereich und in der rauen Industrie ab, abgesehen von der direkten Verschraubung mit einem Auspuffkr\u00fcmmer.<\/p>\n\n\n\n Die PDCP08-501<\/strong> hat auch eine ESD-Bewertung von 1000 V (Human Body Model). Nun, 1000 V m\u00f6gen viel klingen, aber ein Mensch, der \u00fcber einen Teppich schlurft, kann leicht 5000 V aufbauen. W\u00e4hrend die PDCP08-501<\/strong> robust ist, m\u00fcssen Sie dennoch geeignete ESD-Erdungsb\u00e4nder 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 sch\u00f6ne 20pA Dunkelstromspezifikation dauerhaft beeintr\u00e4chtigen.<\/p>\n\n\n\n Auch das L\u00f6ten. Die PDCP08-501<\/strong> eine maximale L\u00f6ttemperatur (Tsol) von 260C f\u00fcr 3 Sekunden einhalten. Wenn Sie Prototypen von Hand l\u00f6ten, halten Sie sich nicht auf den L\u00f6taugen auf. Setzen Sie den L\u00f6tkolben an, lassen Sie das Lot aufschmelzen und gehen Sie wieder. Wenn Sie die Epoxidharzlinse des Prototypen einbrennen PDCP08-501<\/strong> zu lange, verursachen Sie durch thermische Spannungen Mikrobr\u00fcche, die die optische Klarheit beeintr\u00e4chtigen und den Richtungswinkel ver\u00e4ndern (der von Haus aus +\/- 65 Grad f\u00fcr das PDCP08-501<\/strong>).<\/p>\n\n\n\n Hier ist ein kurzer Spickzettel f\u00fcr die PDCP08-501<\/strong> wenn Sie Ihre Spice-Modelle nachbilden.<\/p>\n\n\n\n Da wir schon tief im Unkraut sind, lassen Sie uns \u00fcber die Schaltung sprechen. Der h\u00e4ufigste Fehler, den ich sehe, ist, dass die Ingenieure die PDCP08-501<\/strong> bis zu einem Standard-Spannungsverst\u00e4rker. Tun Sie das nicht. Fotodioden sind Stromquellen. Sie ben\u00f6tigen einen Strom-Spannungs-Wandler (TIA).<\/p>\n\n\n\n Sie schlie\u00dfen die Anode der PDCP08-501<\/strong> an den invertierenden Eingang (-) Ihres Operationsverst\u00e4rkers und die Kathode an Masse (bei Photovoltaikbetrieb). Der nicht invertierende Eingang (+) ist mit Masse verbunden. Sie setzen einen R\u00fcckkopplungswiderstand (Rf) zwischen den Ausgang des Operationsverst\u00e4rkers und den invertierenden Eingang.<\/p>\n\n\n\n Die Ausgangsspannung ist einfach: Wenn die PDCP08-501<\/strong> erzeugt 1 Mikroampere Strom aus einem IR-Strahl, und Sie verwenden einen 1-Mega-Ohm-Rf: Aber hier ist die PDCP08-501<\/strong>\u2018Die 70pF-Kapazit\u00e4t (Cj) k\u00e4mpft gegen Sie. Dieses Cj sitzt direkt \u00fcber den Eing\u00e4ngen des Operationsverst\u00e4rkers. Sie erzeugt einen Pol in der Rauschverst\u00e4rkung des Verst\u00e4rkers, was dazu f\u00fchrt, dass Ihr Operationsverst\u00e4rker oszilliert und eine massive Sinuswelle anstelle Ihres Signals ausgibt.<\/p>\n\n\n\n Um dies zu beheben mit dem PDCP08-501<\/strong>, m\u00fcssen Sie einen R\u00fcckkopplungskondensator (Cf) berechnen, den Sie parallel zu Ihrem Rf schalten. Weil die PDCP08-501<\/strong> hat einen relativ niedrigen Wert von 70pF f\u00fcr seine gro\u00dfe Gr\u00f6\u00dfe, Cf liegt normalerweise bei 1pF bis 3pF. Dieser kleine Kompensationskondensator stellt sicher, dass Ihr PDCP08-501<\/strong> gibt scharfe, saubere Rechteckwellen aus, wenn der optische Strahl unterbrochen wird.<\/p>\n\n\n\nWas ist der PDCP08-501 \u00fcberhaupt?<\/h2>\n\n\n\n
Die elektrooptischen Spezifikationen auseinandernehmen<\/h2>\n\n\n\n
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<\/figure>\n\n\n\nDas Wesentliche: Spektrale Empfindlichkeit<\/h3>\n\n\n\n
Was bedeuten eigentlich 0,7 A\/W f\u00fcr Ihre Schaltung? Es bedeutet, wenn Sie es schaffen, die PDCP08-501<\/strong> Wenn die Diode auf der aktiven Fl\u00e4che 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.<\/p>\n\n\n\n
Fotostrom (I_pd) = 10 uW * 0,7 A\/W = 7 Mikroampere (7 uA).<\/p>\n\n\n\nDer stille Killer: Dunkler Strom (Id)<\/h3>\n\n\n\n
Geschwindigkeit und \u00dcbergangskapazit\u00e4t (Cj)<\/h3>\n\n\n\n
\u00dcberpr\u00fcfen wir ihre Berechnungen anhand der Standardformel f\u00fcr 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.<\/p>\n\n\n\nShunt-Widerstand (Rsh)<\/h3>\n\n\n\n
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<\/strong> im photovoltaischen Betrieb (0 V Vorspannung), weil sie das Johnson-Rauschen (thermisches Rauschen) der Diode selbst bestimmt.<\/p>\n\n\n\n
Rauschen = sqrt( (4 * k * T * BW) \/ Rsh )
Dabei ist k die Boltzmann-Konstante, T die Temperatur in Kelvin und BW die Bandbreite.<\/p>\n\n\n\nRausch\u00e4quivalente Leistung (NEP)<\/h3>\n\n\n\n
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.<\/p>\n\n\n\nReal-World App: Warum den Beephoton PDCP08 verwenden?<\/h2>\n\n\n\n
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Si-PIN-Fotodiode Serie PDCP08 PDCP08-501<\/a><\/h2>\n\n
\nWesentliche Merkmale: Mit einer aktiven Fl\u00e4che von 2,9\u00d72,9 mm bietet diese PIN-Fotodiode einen niedrigen Dunkelstrom und eine hohe Empfindlichkeit, was sie zu einem idealen Sensor f\u00fcr allgemeine optische Schalter und Lichterkennungssysteme macht.<\/p>\n\n\t\t\t<\/div><\/div>\n\n\nSchauen wir uns das \u00dcberleben der Umwelt an<\/h2>\n\n\n\n
Die absoluten H\u00f6chstwerte f\u00fcr die PDCP08-501<\/strong> zeigen, dass es zwischen -40C und +100C arbeiten kann (Topr).<\/p>\n\n\n\nDie Spezifikationen, die wirklich wichtig sind<\/h2>\n\n\n\n
Parameter<\/th> Symbol<\/th> PDCP08-501 Wert<\/th> Warum Sie das interessieren sollte<\/th><\/tr><\/thead> Aktiver Bereich<\/td> Bereich<\/td> 2,9 x 2,9 mm<\/td> Gr\u00f6\u00dfer ist physisch leichter auszurichten.<\/td><\/tr> Peak-Wellenl\u00e4nge<\/td> lambda_p<\/td> 940 nm<\/td> Passen Sie Ihre LED genau an diese Zahl an, um maximale Effizienz zu erzielen.<\/td><\/tr> Lichtempfindlichkeit<\/td> S<\/td> 0,7 A\/W (@940nm)<\/td> Bestimmt Ihren Rohsignalstrom.<\/td><\/tr> Dunkler Strom<\/td> Id<\/td> 20 pA (typisch)<\/td> Ihr Basis-Gleichstromrauschpegel bei niedriger Vorspannung.<\/td><\/tr> Abzweigkappe<\/td> Cj<\/td> 70 pF (typisch)<\/td> Bestimmt die Bandbreite Ihrer TIA-Operationsverst\u00e4rkerschaltung.<\/td><\/tr> Anstiegszeit<\/td> tr<\/td> 0,15 us<\/td> Der schnellste Impuls der PDCP08-501<\/strong> sauber bei 0 V ausgeben kann.<\/td><\/tr> Shunt-Widerstand<\/td> Rsh<\/td> 0,5 GOhm<\/td> Verhindert, dass die Diode ihr eigenes thermisches Rauschen erzeugt.<\/td><\/tr><\/tbody><\/table><\/figure>\n\n\n\n Entwurf des Transimpedanz-Verst\u00e4rkers (TIA) f\u00fcr den PDCP08-501<\/h2>\n\n\n\n
Vout = I_pd * Rf<\/p>\n\n\n\n
Vout = 1 uA * 1.000.000 Ohm = 1 Volt.<\/p>\n\n\n\n
Die Lehrbuchformel f\u00fcr ideale Stabilit\u00e4t lautet:
Cf = sqrt( C_Gesamt \/ (2 * pi * Rf * GBW) )
Dabei ist C_total die PDCP08-501<\/strong> Kapazit\u00e4t (70pF) plus die Eingangskapazit\u00e4t des Operationsverst\u00e4rkers (normalerweise ~5pF), und GBW ist das Verst\u00e4rkungs-Bandbreiten-Produkt des gew\u00e4hlten Operationsverst\u00e4rkers.<\/p>\n\n\n\n
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