帶有光電二極管電路的PCB應(yīng)該怎么設(shè)計(jì)

我一直想知道小時(shí)候電視遙控器是如何工作的。拿到第一部照相手機(jī)后，我意識(shí)到手機(jī)的照相機(jī)對(duì)大多數(shù)遙控器上的紅外LED都很敏感，并且電視必須具有相同類型的檢測器。這是光電二極管電路發(fā)揮作用的地方，它使電視可以接收和解碼來自遙控器的調(diào)制紅外信號(hào)。

除了改變電視的音量外，光電二極管還有許多用途。無論您使用什么應(yīng)用程序，都需要了解光電二極管如何產(chǎn)生一些電流以及如何設(shè)計(jì)使用該電流的電路。

光電二極管如何工作？

從最簡單的意義上講，光電二極管是光電元件，這意味著它們將光轉(zhuǎn)換為電。在沒有光源的情況下，也可以用電壓驅(qū)動(dòng)它們以產(chǎn)生少量電流。一旦光擊中了光電二極管，電流就會(huì)大大增加，類似于太陽能電池。如果查看光電二極管的電流-電壓曲線，則其形狀與太陽能電池的電流-電壓曲線相同。這樣，光電二極管的作用就像簡單的光傳感器，可以通過施加電壓來控制靈敏度。

當(dāng)光電二極管在沒有照明的情況下以一定電壓驅(qū)動(dòng)時(shí)，其行為將類似于典型的整流二極管。在低施加偏壓下，會(huì)有少量的飽和電流（稱為暗電流）流過器件。就像典型的二極管一樣，光電二極管在反向偏置時(shí)具有一定的擊穿電壓。

一旦光電二極管被照亮，器件的性能就取決于是否有施加到光電二極管的偏壓以及極性。器件的IV曲線將隨施加的電壓成比例。光電二極管有兩種工作模式：光伏模式（在正向偏置下運(yùn)行）和光電二極管模式（在反向偏置下運(yùn)行）。在這兩種情況下，都可以使用以下公式計(jì)算電流：

其中P是光源（W）的光功率，R是光電二極管（A / W）的響應(yīng)度。注意，該方程式中的其余參數(shù)與典型整流二極管中的參數(shù)具有相同的含義。

為您的PCB選擇光電二極管

為PCB選擇光電二極管時(shí)，需要考慮許多操作參數(shù)。以下是一些要考慮的最重要的光電二極管參數(shù)：

l 響應(yīng)度：這是對(duì)落在設(shè)備上的每瓦光功率產(chǎn)生的電流的度量。響應(yīng)度實(shí)際上是一個(gè)光譜，這意味著它是入射光波長的函數(shù)。這是光電二極管將產(chǎn)生電流的波長范圍。作為示例，硅光電二極管通常對(duì)大約200 nm（UV）至大約1100 nm（IR）范圍內(nèi)的波長敏感。響應(yīng)度將在整個(gè)波長范圍內(nèi)變化。

l 分流電阻：這是施加零偏壓時(shí)光電二極管的電流-電壓曲線的斜率。理想的光電二極管應(yīng)具有無限大的分流電阻，但實(shí)際分流電阻的范圍可以在10到1000兆歐姆之間，因此最好的光電二極管具有最高的分流電阻。

l 飽和電流：這與分流電阻有關(guān)，并且等于在反向偏置（0 V和反向擊穿電壓之間）下運(yùn)行時(shí)的電流。分流電阻通常使用歐姆定律參考10 mV電源電壓和飽和電流定義。

l 端子電容：確定光電二極管的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間。與負(fù)載電阻結(jié)合使用時(shí)，上升時(shí)間等于RC時(shí)間常數(shù)。

l 響應(yīng)溫度系數(shù)：隨著光電二極管溫度的變化，特定波長下的響應(yīng)度也會(huì)變化。隨著溫度的升高，由于能帶變窄，響應(yīng)光譜中的峰將顯示紅移。

設(shè)計(jì)光電二極管電路

光電二極管有許多應(yīng)用，而您需要構(gòu)建的確切電路將取決于所需的應(yīng)用。最簡單的光電二極管電路之一是光傳感器。這涉及將光電二極管的輸出連接到運(yùn)算放大器的反相輸入，并且在輸出和運(yùn)算放大器的輸入之間連接一個(gè)反饋電阻。這實(shí)質(zhì)上將電流從光電二極管轉(zhuǎn)換為電壓，其中輸出電壓等于光電二極管電流乘以反饋電阻。在這種情況下，您無需將光電二極管置于偏壓下。

注意，光電二極管也可以用于接收以調(diào)制光脈沖編碼的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。這通常是通過對(duì)光源應(yīng)用脈沖寬度調(diào)制或幅度調(diào)制來完成的。對(duì)于脈沖寬度調(diào)制，您將需要考慮光電二極管和放大器的頻率限制，因?yàn)檫@會(huì)限制最大數(shù)據(jù)速率。光電二極管的頻率限制與其響應(yīng)時(shí)間有關(guān)（請(qǐng)參見上面的端子電容）。通常將最大響應(yīng)頻率作為具有特定上升時(shí)間的數(shù)字脈沖的拐點(diǎn)頻率。該頻率等于0.35 /（響應(yīng)時(shí)間）。

特定類型的稱為雪崩光電二極管的光電二極管專門設(shè)計(jì)用于在接近反向擊穿電壓的反向偏置下工作。實(shí)際上，這會(huì)使光生載流子的數(shù)量成倍增加，從而在照明過程中產(chǎn)生一定的電增益。這種類型的光電二極管在處理弱光信號(hào)時(shí)非常有用，并且比在反向擊穿電壓附近簡單運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)光電二極管更耐用。

為了下次更輕松地設(shè)計(jì)光電二極管電路，請(qǐng)將所有模擬電路遠(yuǎn)離（嘈雜的）數(shù)字電路。接下來，應(yīng)將為模擬和數(shù)字電路供電的平面分開。這些平面通常連接在機(jī)箱或板上的某處，但將它們分開會(huì)使噪聲遠(yuǎn)離模擬電路。