Amplificador de transimpedancia de fototransistor

Tengo un fototransistor NPN típico. Lo tengo trabajando en una configuración de colector común; vea la figura 2 de esta nota de aplicación .

El aumento de Re aumentará la sensibilidad, pero disminuirá la velocidad. Llevo unos días estudiando fototransistores, y creo que un amplificador de transimpedancia me puede dar una sensibilidad adicional sin sacrificar la velocidad, ya que no tendré que volver a cargar el emisor.

Sin embargo, parece que no puedo encontrar implementaciones sencillas. La gran mayoría de las notas de la aplicación describen fotodiodos. A diferencia de un fotodiodo, un fototransistor necesita estar sesgado, y las pocas notas de aplicación que tratan sobre el uso de fototransistores suponen la presencia de un voltaje de polarización negativo en sus amplificadores de transimpedancia. Necesito una solución que funcione con un amplificador operacional de suministro único.

¿Una conexión a tierra virtual en la entrada no inversora del amplificador de transimpedancia sesgaría correctamente el fototransistor? Por lo general, el terreno virtual está a medio camino entre VCC y GND, pero no creo que tenga que ser así. El voltaje de saturación de mi fototransistor es de 0.15V; dado VCC = 3.3V, ¿eso significa que mi tierra virtual podría estar a ~ 3V?

¿Hay una mejor manera de diseñar este circuito? Me gustaría que la salida se acerque lo más posible a GND, porque probablemente habrá un amplificador de segunda etapa.

EDITAR:

Más detalles sobre la aplicación. Estoy sintiendo niveles de luz; bajo, muy bajo y apagado. No hay problemas con la luz ambiental, por lo que prefiero no centrarme demasiado en el aspecto del fototransistor de esta pregunta. El ancho de banda de interés es de alrededor de 1-10 kHz. El coleccionista común casi funciona; He elevado Re lo más alto posible mientras mantengo el ancho de banda que quiero, pero todavía me gustaría Re aproximadamente 2 veces más grande, lo que resulta en una señal que es demasiado lenta.

He estado tratando de hacer un proyecto de muy bajo nivel de luz en los últimos 2 días con fotodiodos y fototransistores. Esto es para personas como yo y el póster original que están empujando la detección de luz sin un fotomultiplicador hasta el límite (por debajo de 0.1 mW / cm ^ 2).

Miré el primer módulo receptor y su detección de irradiancia mínima fue de 0.2 mW / m ^ 2, que es aproximadamente 10,000 veces más (menos capaz) que lo que pueden hacer los fotodiodos y fototransistores discretos (¿tal vez significaban cm ^ 2 en lugar de m ^ 2? ) Ninguno de los dos es bueno para niveles de luz realmente bajos de acuerdo con "Art of Electronics" (1 uA por uW de luz, página 996), totalmente incapaz de acercarse a lo que el ojo humano puede hacer debido a la corriente de fuga y al ruido. Describe el uso de fotomultiplicadores que pueden ser necesarios si los niveles de luz son demasiado bajos. Sin embargo, a la luz brillante a través de mis dedos en una habitación bien iluminada, puedo ver lo que mi ojo no puede detectar en un osciloscopio (con PhotoDiode o PhotoTransistor).

Suponiendo que su 1 uA por uW es correcto, aquí hay un ejemplo: los fotodiodos y fototransistores de 5 mm tienen un área de 20 micro m ^ 2. Entonces 1 uW / m ^ 2 (1/1000 de la luz solar del mediodía) generaría 20 uA (de acuerdo con Art of Electr). [[1/1000 de la luz solar del mediodía es 1 W / m ^ 2, que es aproximadamente dos veces más fuerte que una luz incandescente de 20W a 1 metro (salida de luz de 6W en el área de superficie de 12 m ^ 2 de una esfera circundante). ]]

Sin embargo, mi hoja de datos del fototransistor de 880 nm indica 600 uA a 1W / m ^ 2 (0.1 mW / cm ^ 2), que es 30 veces más. Esto supone que toda la luz está dentro del rango activo de la unión del diodo.

Sharp tiene una nota de aplicación mucho mejor, pero parece que le falta explicar qué diseño es mejor para qué situaciones. La Figura 13 es más aplicable a lo que necesitamos para el póster original, y la Figura 10B es muy interesante, pero no sé qué quieren decir con "mejora la respuesta". http://physlab.lums.edu.pk/images/1/10/Photodiode_circuit.pdf

Cuando se usa con un amplificador operacional, un fototransistor no puede obtener una ganancia tan buena como un fotodiodo para niveles de luz muy bajos porque utiliza un método "barato" para obtener su ganancia inicial (transistor en lugar de amplificador operacional). Sospecho que un fotodiodo con un amplificador operacional JFET (corriente de entrada muy baja) en última instancia proporcionaría una ganancia más alta con menos ruido. En cualquier caso, el fotodiodo o fototransistor con el área de recepción óptica más grande podría tener la mejor capacidad para detectar niveles bajos de luz, pero eso también podría aumentar el ruido y las fugas en una cantidad proporcional y generalmente son el problema subyacente. Entonces, hay un límite para este tipo de detección de luz y los fototransistores y fotodiodos idealmente eficientes pueden ser igualmente buenos cuando se usan con un amplificador operacional, pero en teoría sospecho que el fotodiodo es un poco mejor.

Para el amplificador operacional de suministro dual, puede usar un par de resistencias de valor "bajo" (dos 1k para 10 V Vcc para obtener una polarización de 5 mA) para dividir el voltaje y crear una tierra falsa para el + Vin.

Encontré R = 1M para la resistencia de retroalimentación mucho mejor que R = 4.7M. Forrest Mimms en su opto libro simple usó un 10 M con un paralelo 0.002uF y una célula solar en lugar de un fototransistor o fotodiodo para "niveles extremadamente bajos de luz" (tal vez una célula solar sería mejor para su aplicación) Parece todo PN Las uniones parecen funcionar como una célula solar en cierta medida, como he leído sobre el uso de diodos de señal pequeña de carcasa transparente para detectar la luz. Estoy usando un LED de 830 nm como mi "fotodiodo".

El ángulo de la lente de cualquier diodo óptico de 5 mm que utilice marca una gran diferencia. +/- 10 grados es aproximadamente 4 veces más sensible que +/- 20 grados ... si la fuente de luz proviene de menos de +/- 10 grados. Si la fuente de luz es un área grande que está +/- 20 grados en frente, entonces no importa.

Probé los dos circuitos a continuación. Pude detectar pulsos de 0.3V, 5 ms en el Vo del fototransistor, lo que significa 0.3 uA, lo que significa 0.05 uW / cm ^ 2 si mi lectura de la hoja de datos es correcta y si permaneció lineal (si grande) hasta 0.3uA. Tal vez fueron 5 uW / cm ^ 2. Si 0.05 uW / cm ^ 2 es correcto, entonces el LED 830 estándar estaba bajando a 0.5 uW / cm ^ 2. Estaba brillando 10 mW 830 nm de luz a través de 1 cm de tejido (mi dedo). Sé que si los niveles de luz con los que estuviera trabajando fueran rojos, habría sido apenas visible. El siguiente enlace muestra el uso de retroalimentación de 500 M ohmios con un fotodiodo, lo que indica niveles de luz mucho más bajos. Observe la orientación de su fotodiodo, que es el mismo que mi LED (al revés de la mayoría de los enlaces de Internet). Obtuve mejores resultados de esta manera.

http://www.optics.arizona.edu/palmer/OPTI400/SuppDocs/pd_char.pdf

También estaba pensando en un amplificador opamp invertido. Lo mejor sería una fuente de alimentación dual para que no tenga que sesgar las entradas para crear una tierra virtual. La imagen muestra el esquema. Tendrá una señal positiva a tierra: más luz = mayor voltaje de salida.

$V_{OUT} = I_{PHOTOTRANSISTOR} \times R_{FEEDBACK}$

$V_{CC}$ . Debe sesgar ambas entradas, la salida también tendrá este sesgo.

editar dd. 15/08/2012
En esta respuesta, Alfred mostró que un fotodiodo también hundirá corriente sin una caída de voltaje a través de él. Eso significa que no necesitamos el suministro negativo, y es posible un solo suministro:

Asegúrese de que sea un opamp RRIO (Rail-to-Rail I / O).

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En lo anterior supuse que desea medir los niveles de luz, es decir, valores analógicos. Pero releyendo su pregunta, en ninguna parte dice que lo haga. La mención de la velocidad sugiere la recepción del código de pulso. Si eso es lo que quieres, ¿cómo se ve la señal? ¿Cuál es la longitud de onda (IR o luz visible)? ¿No puede usar un módulo receptor IR ?

Si realmente necesita flexibilidad, considere usar un fotodiodo en lugar de un fototransistor; ya está construyendo un amplificador de transimpedancia, entonces, ¿por qué no ir hasta el final?

Además, hay un gran libro sobre el tema, con muchos ejemplos de circuitos detallados, para bajo ruido y / o alta velocidad.
Construyendo sistemas electro-ópticos: haciendo que todo funcione, por Hobbs .