La realidad de elegir un detector
Mira, encontrar un fotodetector decente para tu placa personalizada suele implicar tirarte de los pelos mientras cruzas referencias en media docena de hojas de datos. Muchos fabricantes maquillan sus cifras. Te dan una hermosa especificación de capacitancia de unión, pero ocultan el hecho de que lo probaron con una polarización inversa masiva que freirá por completo tu presupuesto de ruido de corriente oscura.
Si usted es un ingeniero tratando de construir un interruptor óptico, una herramienta de alineación láser, o un sensor de oximetría de pulso, necesita hechos crudos, sin adulterar. Hoy vamos a hacer una sesión de explicación de la hoja de datos del fotodiodo. Vamos a desmenuzar las especificaciones del PDCP08-501, un fotodiodo PIN de silicio de la serie Beephoton PDCP08.
Honestamente, mi opinión controvertida del día es que 80% de los ingenieros ópticos sobreespecifican su voltaje de polarización inversa. No siempre es necesario golpear 10V a través de su diodo sólo para que sea rápido. A veces, una configuración de 0 V o de baja polarización es perfecta si sabes cómo manejar la etapa del amplificador de transimpedancia (TIA), y te ahorra enormes dolores de cabeza por la corriente oscura. Vamos a ver exactamente cómo el PDCP08-501 se comporta en ambos escenarios.
Desglosemos qué hace que el PDCP08-501 tick, la física que hay detrás de su rendimiento y cómo diseñar realmente esta cosa en tu próxima PCB sin parecer un idiota.
¿Qué es el PDCP08-501?
Antes de entrar en detalles matemáticos, veamos la realidad física. En PDCP08-501 es un fotodiodo PIN de silicio de montaje superficial fabricado por BeePhoton.
Si nos fijamos en el dibujo mecánico, el paquete mide aproximadamente 4,40 mm por 3,90 mm. Pero lo que realmente importa es el área fotosensible. Para el PDCP08-501, obtienes un área activa de 2.9mm x 2.9mm. Se trata de un objetivo enorme. Cuando se trabaja con ópticas de espacio libre o se intenta captar el haz de un LED IR ligeramente desalineado, disponer de un cubo de casi 3x3mm para captar fotones es un salvavidas. No se necesitan tolerancias de alineación submicrónicas en la línea de montaje, lo que ahorra mucho dinero en la producción.
El material de la ventana del PDCP08-501 es una resina epoxi (CR). Ahora bien, si nos fijamos en su pieza hermana, la 511, esa utiliza un epoxi negro (BK) para filtrar la luz diurna visible. Pero la PDCP08-501 es claro, lo que significa que ve una gran parte del espectro.
Desmontando las especificaciones electroópticas
Aquí es donde las hojas de datos suelen volverse turbias. Vamos a ver los números exactos proporcionados para el PDCP08-501 y traducirlas en implicaciones reales para el diseño de circuitos.
El meollo: la sensibilidad espectral
Si tu fotodiodo no puede ver la fuente de luz, acabas de construir un pisapapeles muy caro. El PDCP08-501 tiene una amplia gama de respuesta espectral, desde 450 nm hasta 1100 nm.
Si se observa el gráfico de sensibilidad espectral de la hoja de datos, se ve una curva que empieza baja en la región azul/verde (450 nm) y asciende agresivamente a medida que se desplaza hacia el rojo y el infrarrojo cercano (NIR). La longitud de onda de máxima sensibilidad (lambda_p) alcanza los 940 nm.
A 940 nm, el PDCP08-501 presenta una fotosensibilidad (S) de 0,7 A/W.
¿Qué significa realmente 0,7 A/W para tu circuito? Significa que si consigues alcanzar el PDCP08-501 área activa con exactamente 1 vatio de potencia óptica de 940 nm (por favor, no lo hagas, lo fundirás, pero matemáticamente hablando), el diodo generará 0,7 amperios de fotocorriente.
En el mundo real, se captan unos 10 microvatios (10 uW) de potencia óptica.
Fotocorriente (I_pd) = 10 uW * 0,7 A/W = 7 microamperios (7 uA).
Esos 7 uA son la señal que tu op-amp necesita amplificar. Debido a que el PDCP08-501 alcanza su punto máximo a 940 nm, por lo que es ideal para los LED IR de GaAs que se utilizan en mandos a distancia, interruptores ópticos y cortinas de luz. También ofrece un respetable 0,2 A/W a 520 nm, por lo que si está utilizando un láser verde para algún equipo de alineación extraño, el PDCP08-501 lo seguirá viendo.
El asesino silencioso: Corriente Oscura (Id)
Todos los fotodiodos pierden corriente, incluso en la oscuridad más absoluta. Se trata de la generación térmica de pares electrón-hueco, y se denomina corriente oscura. En PDCP08-501 especifica una corriente oscura típica de 20 pA (máx. 1000 pA) cuando se mide a una tensión inversa (Vr) de 10mV.
20 picoamperios es muy poco. Pero aquí está el truco que desconcierta a los ingenieros noveles: la corriente oscura varía con la polarización inversa y la temperatura.
Si miras el gráfico “Corriente oscura vs. tensión inversa” para el PDCP08-501, Si te fijas, verás que a 0,01 V, la Id ronda los 10-20 pA. Pero si usted decide que desea que su PDCP08-501 para ser super rápido y lo golpeas con 10V de polarización inversa, esa corriente oscura se dispara hasta aproximadamente 100 pA.
Además, el PDCP08-501 tiene un coeficiente de temperatura Id de 1,13 veces/C. Esto significa que por cada grado Celsius que se calienta la placa, la corriente oscura se multiplica por 1,13. Si tu conmutador óptico se encuentra dentro de una caja caliente de fábrica funcionando a 85C, tu corriente oscura original de 20 pA se convertirá en un ruido de fondo masivo. Hay que tener en cuenta este desplazamiento de CC en el diseño de la TIA, normalmente mediante el acoplamiento de CA de la siguiente etapa o el uso de un bucle de servo activo para anular la línea de base de CC de la TIA. PDCP08-501.
Velocidad y capacitancia de unión (Cj)
Porque el PDCP08-501 es un fotodiodo PIN, tiene una capa intrínseca (I) intercalada entre las capas P y N. Esta gruesa región de agotamiento separa físicamente las placas del condensador, reduciendo drásticamente la capacidad de unión en comparación con un diodo PN estándar. Esta gruesa región de agotamiento separa físicamente las placas del condensador, reduciendo drásticamente la capacitancia de unión en comparación con un diodo PN estándar.
A Vr = 0V, el PDCP08-501 tiene una capacitancia de unión típica de 70 pF (medida a f=100kHz).
¿Por qué nos preocupamos por 70 pF? Porque la capacitancia mata la velocidad. Cuando conectas el PDCP08-501 hasta un amplificador de transimpedancia, esos 70 pF forman un filtro de paso bajo con su resistencia de realimentación (Rf).
La hoja de datos da un tiempo de subida (tr) de 0,15 microsegundos (us) para el PDCP08-501 cuando se prueba a Vr=0V y una resistencia de carga (Rl) de 1k Ohm.
Comprobemos sus matemáticas utilizando la fórmula estándar de la constante de tiempo RC:
tr aprox = 2,2 * Rl * Cj
tr = 2,2 * 1000 Ohmios * 70 x 10^-12 Faradios
tr = 1,54 x 10^-7 segundos = 0,154 us.
Su ficha técnica da en el clavo. El PDCP08-501 no te está mintiendo. Si necesitas que sea más rápido que 0.15 us, mira el tercer gráfico: “Capacitancia de unión vs. voltaje inverso”. Si aplicas 10V de polarización inversa al PDCP08-501, la región de agotamiento se ensancha y la capacitancia disminuye drásticamente. Menor capacitancia significa menor constante de tiempo RC, lo que significa una mayor velocidad de PDCP08-501. ¡Sólo recuerda mi advertencia sobre la pena de corriente oscura!
Resistencia de derivación (Rsh)
En PDCP08-501 tiene una resistencia de derivación típica de 0,5 Giga-Ohmios (GOhm) a Vr=10mV.
La resistencia shunt es básicamente la pendiente de la curva I-V justo a 0V. Un alto Rsh es crítico si usted está operando el PDCP08-501 en modo fotovoltaico (polarización 0V) porque dicta el ruido Johnson (ruido térmico) del propio diodo.
Fórmula para la corriente de ruido Johnson:
Ruido = sqrt( (4 * k * T * BW) / Rsh )
Donde k es la constante de Boltzmann, T es la temperatura en Kelvin, BW es el ancho de banda.
Porque el PDCP08-501 tiene una resistencia de derivación típica de 0,5 GOhm, el ruido térmico generado por el propio diodo es prácticamente nulo. El ruido del voltaje de su amplificador óptico probablemente dominará el sistema mucho antes que el ruido térmico del diodo. PDCP08-501‘se convierte en un problema.
Potencia equivalente de ruido (NEP)
El NEP es el Santo Grial de la detección con poca luz. Indica la potencia óptica mínima necesaria para lograr una relación señal/ruido de 1.
En PDCP08-501 presume de una NEP de 1,5 x 10^-14 W/Hz^(1/2).
Supongamos que el ancho de banda de tu sistema es de 10 kHz.
Potencia de ruido total = NEP * sqrt(Ancho de banda)
Potencia de ruido total = 1,5 x 10^-14 * sqrt(10000)
Potencia acústica total = 1,5 x 10^-14 * 100 = 1,5 x 10^-12 vatios.
Esto significa que si la señal luminosa entrante es de 1,5 picovatios, la señal del PDCP08-501 será exactamente igual al ruido de fondo. Para que la detección sea fiable, la señal debe ser al menos 10 veces superior, por lo que hay que planificar la potencia del emisor en consecuencia. El hecho de que el PDCP08-501 puede descender hasta la gama baja de picovatios, lo que lo hace increíblemente robusto para conmutadores ópticos de larga distancia en los que el haz se dispersa y se debilita.
Aplicación en el mundo real: ¿Por qué utilizar el Beephoton PDCP08?
Quiero compartir un caso reciente sin nombrar al cliente concreto. Una empresa estaba construyendo una cortina de luz industrial para la protección de máquinas. Inicialmente utilizaron un fotodiodo PN genérico, pero la iluminación ambiental de la fábrica (bahías de LED de alta frecuencia) provocaba falsos disparos masivos. Además, la vibración de la prensa de estampación hacía que el haz IR del transmisor bailara constantemente alrededor de la superficie del receptor.
Los cambiamos por el PDCP08-501.
En primer lugar, la gran área activa de 2,9×2,9 mm del PDCP08-501 resolvió por completo el problema de las vibraciones. El haz podía bailar alrededor de la superficie un milímetro en cualquier dirección, y la potencia total captada permanecía constante.
En segundo lugar, porque el PDCP08-501 tiene una sensibilidad espectral tan alta a 940 nm, pudimos hacer funcionar sus emisores IR de 940 nm a un ciclo de trabajo mucho más bajo, ahorrando energía y prolongando la vida útil de los LED.
Ejecutamos el PDCP08-501 en un sencillo op-amp CMOS configurado como amplificador de transimpedancia. Como no necesitábamos velocidades de MHz para una cortina de luz (unos pocos kHz están bien para los tiempos de respuesta de la seguridad humana), hicimos funcionar el PDCP08-501 a 0V de polarización. Esto mantuvo la corriente oscura cerca de cero, y la capacitancia de 70pF del PDCP08-501 se solucionó fácilmente colocando un pequeño condensador de compensación de 2pF en la resistencia de realimentación de la TIA para evitar el timbre. El sistema se hizo a prueba de balas.
Fotodiodo Si PIN Serie PDCP08 PDCP08-501
Detección de alto rendimiento: El PDCP08-501 es un fotodiodo PIN de silicio de alta velocidad con ventana transparente.
Especificaciones: Con un área activa de 2,9×2,9 mm, este fotodiodo PIN ofrece una baja corriente oscura y una alta capacidad de respuesta, lo que lo convierte en un sensor ideal para interruptores ópticos generales y sistemas de detección de luz.
Veamos la supervivencia del medio ambiente
Las hojas de datos no son sólo cuestión de pureza óptica, sino de supervivencia en el mundo real.
Los valores máximos absolutos de PDCP08-501 muestran que puede funcionar (Topr) entre -40C y +100C.
-40C a +100C cubre casi todos los requisitos de la industria del automóvil y de las aplicaciones industriales más exigentes, salvo la posibilidad de atornillarlo directamente a un colector de escape.
En PDCP08-501 también tiene una clasificación ESD de 1000 V (modelo de cuerpo humano). Ahora bien, 1000V puede parecer mucho, pero un ser humano arrastrando los pies por una alfombra puede acumular 5000V fácilmente. Mientras que el PDCP08-501 es robusto, es necesario utilizar correas de puesta a tierra ESD adecuadas al manipularlos durante el montaje manual de la placa. No los saques de la bobina sin ponerte a tierra, o degradarás permanentemente esa hermosa especificación de corriente oscura de 20pA.
También la soldadura. El PDCP08-501 maneja una temperatura máxima de soldadura (Tsol) de 260C durante 3 segundos. Si vas a soldar prototipos a mano, no te entretengas en las almohadillas. Utiliza el soldador, realiza el reflujo y sal. Si hornea la lente de epoxi del PDCP08-501 durante demasiado tiempo, provocará microfracturas por estrés térmico que arruinarán la claridad óptica y alterarán el ángulo de directividad (que es nativamente de +/- 65 grados para el PDCP08-501).
Las especificaciones que realmente importan
He aquí una rápida hoja de trucos para el PDCP08-501 cuando estés maquetando tus modelos de especias.
| Parámetro | Símbolo | PDCP08-501 Valor | Por qué debería importarte |
|---|---|---|---|
| Área activa | Zona | 2,9 x 2,9 mm | Más grande es más fácil de alinear físicamente. |
| Longitud de onda pico | lambda_p | 940 nm | Adapte su LED a este número exacto para obtener la máxima eficiencia. |
| Fotosensibilidad | S | 0,7 A/W (@940nm) | Determina tu corriente de señal bruta. |
| Corriente oscura | Id | 20 pA (típico) | Su línea base de ruido de CC en polarización baja. |
| Tapa de unión | Cj | 70 pF (típico) | Determina el ancho de banda de tu circuito op-amp TIA. |
| Tiempo de subida | tr | 0.15 us | El pulso más rápido el PDCP08-501 puede salir limpiamente a 0V. |
| Resistencia de derivación | Rsh | 0,5 GOhm | Evita que el diodo genere su propio ruido térmico. |
Diseño del amplificador de transimpedancia (TIA) para el PDCP08-501
Ya que estamos metidos en faena, hablemos del circuito. El error más común que veo es ingenieros enganchando el PDCP08-501 a un amplificador de tensión estándar. No lo haga. Los fotodiodos son fuentes de corriente. Necesitas un convertidor de corriente a tensión (TIA).
Se conecta el ánodo del PDCP08-501 a la entrada inversora (-) de tu amplificador óptico, y el cátodo a masa (para el modo fotovoltaico). La entrada no inversora (+) va a masa. Coloque una resistencia de realimentación (Rf) entre la salida del amplificador óptico y la entrada inversora.
La tensión de salida es sencilla:
Vout = I_pd * Rf
Si el PDCP08-501 está generando 1 microamperio de corriente de un rayo IR, y utilizas un Rf de 1 Mega-Ohmio:
Vout = 1 uA * 1.000.000 Ohmios = 1 Voltio.
Pero aquí es donde el PDCP08-501‘La capacitancia de 70pF (Cj) te combate. Esa Cj se sitúa directamente a través de las entradas del amplificador óptico. Se crea un polo en la ganancia de ruido del amplificador, lo que hará que su op-amp a oscilar y la salida de una onda sinusoidal masiva en lugar de su señal.
Para solucionarlo con el PDCP08-501, debe calcular un condensador de realimentación (Cf) para ponerlo en paralelo con su Rf.
La fórmula de libro de texto para la estabilidad ideal es:
Cf = sqrt( C_total / (2 * pi * Rf * GBW) )
Donde C_total es el PDCP08-501 (70pF) más la capacitancia de entrada del amplificador óptico (normalmente ~5pF), y GBW es el producto ganancia-ancho de banda del amplificador óptico elegido.
Porque el PDCP08-501 tiene un 70pF relativamente bajo para su gran tamaño físico, Cf normalmente acaba siendo de alrededor de 1pF a 3pF. Este pequeño condensador de compensación asegura su PDCP08-501 emite ondas cuadradas nítidas y limpias cuando se interrumpe el haz óptico.
Fotodiodo Si PIN Serie PDCP08 PDCP08-502
El PDCP08-502 es un fotodiodo PIN de silicio de 2,9×2,8 mm de alta respuesta diseñado para aplicaciones fotoeléctricas de precisión. Con baja capacitancia de unión, baja corriente oscura y un amplio rango espectral (340-1100 nm), es el componente ideal para interruptores ópticos y módulos de detección compactos que requieren una salida de señal estable y rápida.
PREGUNTAS FRECUENTES: Preguntas rápidas PDCP08-501
¿Puedo utilizar el PDCP08-501 para detectar la luz visible?
Sí, absolutamente. Aunque la PDCP08-501 alcanza su máximo en 940 nm (IR), la curva de sensibilidad espectral muestra que es muy sensible hasta 450 nm. Funciona muy bien con láseres rojos (650 nm) y verdes (520 nm). Si desea sólo desea IR y quiere bloquear la luz visible, debería mirar el PDCP08-511 en su lugar, que tiene un filtro de luz diurna negro.
¿Por qué mi circuito PDCP08-501 hace tanto ruido cuando se calienta?
Recuerda el coeficiente de temperatura de 1,13 veces/C. Si tu placa se calienta, la corriente oscura del PDCP08-501 aumenta exponencialmente. Si usted tiene una resistencia de retroalimentación masiva (como 10 Meg-Ohms), que la corriente oscura se convierte en un enorme desplazamiento de tensión continua. A altas temperaturas, trate de reducir su voltaje de polarización inversa a 0V para aplastar la corriente oscura de nuevo hacia abajo.
¿Es el PDCP08-501 lo suficientemente rápido para la comunicación de datos por fibra óptica?
No. El PDCP08-501 tiene un tiempo de subida de 0,15us (150 nanosegundos). Eso le da un ancho de banda en el rango bajo de Megahercios. Es perfecto para interruptores ópticos, cortinas de luz, codificadores y mandos a distancia. La transmisión de datos por fibra óptica a Gigabits por segundo requiere fotodiodos InGaAs mucho más pequeños con capacitancias inferiores a 1pF. El PDCP08-501 está construido para ser robusto y capturar la luz, no para alcanzar velocidades de gigahercios.
¿Es hora de construir algo guay?
Espero que esta inmersión le haya ahorrado unas cuantas horas de quebraderos de cabeza. Deje de luchar con diodos genéricos de calidad inferior que se desvían por todas partes cuando cambia la temperatura. El PDCP08-501 ofrece una enorme área de captura de 2,9×2,9 mm, una corriente oscura ultrabaja de 20pA y la fiabilidad que necesita para los diseños industriales.
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