为你的下一个PCB设计光电二极管电路

小时候，我总是想知道我的电视遥控器是怎么工作的。当我有了我的第一款拍照手机后，我意识到我手机的摄像头对大多数遥控器上的红外LED很敏感，而且电视必须有相同类型的探测器。这就是光电二极管电路发挥作用的地方，它允许电视接收和解码来自遥控器的调制红外信号。

除了改变电视的音量外，光电二极管还有很多用途。无论您使用的是什么应用程序，您都需要了解光电二极管如何产生电流以及如何设计使用该电流的电路。

光电二极管是如何工作的?

在最简单的意义上，光电二极管是光电元件，这意味着它们将光转换为电。它们也可以在没有光源的情况下用电压驱动产生少量电流。一旦光线击中光电二极管，电流就会显著增加，类似于太阳能电池。如果你观察光电二极管的电流-电压曲线，它与太阳能电池的电流-电压曲线具有相同的形状。这样，一个光电二极管就像一个二极管光传感器，其中灵敏度可通过施加电压控制。

当一个光电二极管在没有照明的情况下用一定电压驱动时，它将表现得像一个典型的整流二极管。在低偏压下，有少量饱和电流(称为暗电流)将流过器件。就像一个典型的二极管，一个光电二极管有一些击穿电压反向偏置。

一旦光电二极管被照亮，器件的行为取决于是否有一个偏压应用到光电二极管，以及极性。该装置的IV曲线将随施加电压而缩放。光电二极管有两种工作模式:光伏模式(在正向偏置下运行)和光电二极管模式(在反向偏置下运行)。在这两种情况下，电流可以用下式计算:

其中P为光源的光功率(W)， R为光电二极管的响应度(A/W)。请注意，此方程中的其余参数与典型整流二极管中的参数具有相同的含义。

为PCB选择光电二极管

在为PCB选择光电二极管时，有许多操作参数需要考虑。以下是一些需要考虑的最重要的光电二极管参数:

• 反应性:这是一个测量每瓦光功率产生的电流，落在设备上。响应度实际上是一个光谱，这意味着它是入射光波长的函数。这是光电二极管产生电流的波长范围。例如，硅光电二极管通常对波长范围从大约200 nm (UV)到大约1100 nm (IR)敏感。在这个波长范围内，响应度会发生变化。

• 分流电阻:这是零偏压时光电二极管的电流-电压曲线的斜率。一个理想的光电二极管应该有无限的分流电阻，但实际分流电阻可以从10兆欧到1000兆欧，因此最好的光电二极管具有最高的分流电阻。

• 饱和电流:这与分流电阻有关，等于反向偏置运行时的电流(在0v和反向击穿电压之间)。分流电阻通常是根据10mv的源电压和欧姆定律的饱和电流来定义的。

• 终端电容:此参数决定瞬态响应光电二极管的时间。当与荷载阻力结合时，上升时间等于RC时间常数。

• 响应温度系数:随着光电二极管温度的变化，其在特定波长的响应度也会发生变化。随着温度的升高，响应谱的峰值会出现红移。

光电二极管电路设计

光电二极管有许多应用，需要构建的确切电路取决于所需的应用。最简单的光电二极管电路之一是光传感器。这涉及到将光电二极管的输出连接到运算放大器的反相输入，并且在运算放大器的输出和输入之间连接一个反馈电阻。这本质上是将电流从光电二极管转换为电压，其中输出电压等于光电二极管电流乘以反馈电阻。在这种情况下，您不需要将光电二极管置于偏置下。

带有放大器的简单光电二极管电路

请注意，光电二极管也可用于接收调制光脉冲编码的数字数据。这通常是通过对光源施加脉冲宽度调制或振幅调制来实现的。在脉宽调制的情况下，您将需要考虑光电二极管和放大器的频率限制，因为这限制了最大数据速率。光电二极管的频率限制与它的响应时间有关(见上面的终端电容)。对于具有特定上升时间的数字脉冲，通常将最大响应频率作为膝盖频率。这个频率等于0.35/(响应时间)。

一种被称为雪崩光电二极管的特定类型的光电二极管是专门设计用于在接近反向击穿电压的反向偏置下工作的。实际上，这增加了光产生载流子的数量，在照明过程中产生了一些电增益。这种类型的光电二极管在处理弱光信号时非常有用，并且比简单地运行在反向击穿电压附近的标准光电二极管更耐用。

为了便于下次设计光电二极管电路，请将所有模拟电路与(有噪声的)数字电路分开。接下来，保持为模拟电路和数字电路提供电压的平面分开。这些平面通常连接在机箱或电路板上的某个地方，但保持它们分开可以使噪声远离模拟电路。

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