光电晶体管电路:如何构建和模拟

你的下一个光电系统可能需要一个光电二极管电路。

当我们想到光学传感器时，我们通常会想到CCD、CMOS传感器或光电二极管之类的东西。然而，一个非常有用的选择是光电晶体管电路。当光子入射到栅极/漏极区域时，该电路提供线性响应或稳定的开关行为，为各种应用创建了易于使用的光开关。这些电路非常简单，可以在晶体管中加入标准配置，并且可以通过施加基极/门电压轻松调整其行为。

光电晶体管vs光电二极管

在讨论光电晶体管之前，首先要了解它们与光电二极管的不同之处。光电晶体管和光电二极管是普通晶体管和二极管的类似物，尽管光电晶体管和光电二极管的工作原理类似于光伏电池，因为它们将光转化为电能。它们之间的区别在于，光晶体管和光电二极管的输出电流的增加是由入射光触发的，而不是通过改变输入电压。

正如光电二极管具有与普通二极管相似的结构一样，光电晶体管也具有与其他晶体管相似的结构。这些通常被构建为NPN或PNP双极晶体管，或称为FET晶体管。这些晶体管中的基极/栅极由入射光触发，激发该区域的载流子。当入射光子的能量大于光学带隙时，载流子在基/门区域被激发。这有效地增加了进入器件的基极电流。

与光电二极管相反，光电晶体管需要一些外部偏置(共用集电极或共用发射极)来提取电流。换句话说，光电晶体管就像一个内置阈值的开关。当入射光足够强时，基极-发射极电压变得足够小，电流很容易流过器件。这种开关行为使得光电晶体管在许多需要ON和OFF状态的应用中非常有用。相比之下，光电二极管不需要外部偏压来提取电流。

构建光电晶体管电路

与普通晶体管不同，光晶体管既可以用作2端器件，也可以用作3端器件。第三个端口连接到基极/栅极区域，就像普通晶体管一样。在2端口NPN配置中，入射光子和基极中的激发态载流子可以偏压晶体管，从而驱动电流通过输出。这提供了一个简单的具有固定阈值的光开关。在这种应用中，增加光学饱和阈值的一种方法是在设备前放置一小块滤光玻璃。

典型的共发射极和共集电极光电二极管电路如下所示。在一个简单的2端光电晶体管电路中，基本电阻(RB)从电路模型中被省略，连接保持开放。以如下所示的方式使用基极电阻提供了一个反馈回路，当光电晶体管达到饱和时，可以使用反馈回路进行调制。另一种选择是在RB和接地连接之间放置电压源，这就提供了具有可调开关/饱和行为的电压控制光电晶体管。

共用发射极和共用集电极光电晶体管电路

根据应用要求，上述电路有一些变体。达林顿对光电晶体管电路就是一个例子，它能提供双倍的输出电流放大。上图所示的共用集电极和共用发射极光电晶体管电路，在电路中使用较大的基极电阻(RB)时，将提供更接近真实数字开关行为的东西。

光电晶体管应用与模拟

光电晶体管的开关特性使其在许多应用中都很理想。其中包括:

• 光隔离器

• 目标检测等电子控制系统

• 光继电器

• 激光测距仪中的飞行时间测量

• DVD播放器

• 红外接收器(如老式遥控器)

• 相机中的快门控制器

• 开关级比较器

这些系统可以使用带有光电晶体管的组件的标准模型进行可靠的模拟。一些制造商为光电晶体管或包含光电晶体管的电路生产SPICE模型。由于入射光子通量不能直接观测到，因此在光电晶体管中产生的基极/门电流需要用a来模拟电流源。

器件在特定波长的响应度可用于将输入基极/门电流转换回强度值。响应度是光电晶体管几何形状、材料特性和掺杂剖面的复杂函数。还有材料的带隙和吸收光谱的问题。看看这篇文章关于光电二极管中使用的各种材料的一些信息;同样的考虑也适用于光晶体管。你可以从你的数据表中找到反应谱。NPN光电晶体管电路的典型仿真模型如下所示。

NPN光电晶体管电路的典型仿真模型。

你在这条赛道上的目标是建造载重线这样就可以确定光子通量(即基极集电极电压和电流)，从而产生开关行为和饱和。在低光子通量和基极电压下，当负载较大且光子通量增大时，集电极电流将很快达到饱和。如果你的应用需要更大的线性范围，那么你应该使用更大的VCC电压，更小的输出负载，或两者兼而有之。你可以检查所有这些方面的光电晶体管电路使用直流扫描。

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