光电晶体管跨阻放大器

我有一个典型的NPN光电晶体管。我让它在公共收集器配置下工作；参见本应用笔记的图2 。

增加Re会增加灵敏度，但会降低速度。我研究光电晶体管已有几天了，我认为跨阻放大器可以在不牺牲速度的情况下为我提供额外的灵敏度，因为我不再需要重新加载发射极了。

但是，我似乎找不到简单的实现。绝大多数应用笔记都描述了光电二极管。与光电二极管不同，光电晶体管需要偏置，并且讨论使用光电晶体管的少数应用笔记假设其跨阻放大器中存在负偏置电压。我需要一种与单电源运算放大器一起使用的解决方案。

跨阻放大器的同相输入上的虚拟接地是否会正确偏置光电晶体管？通常，虚拟地在VCC和GND之间，但我认为并非必须如此。我的光电晶体管饱和电压为0.15V；给定VCC = 3.3V，这是否意味着我的虚拟地可能在〜3V？

有没有更好的方法来设计该电路？我希望输出尽可能靠近GND，因为可能会有第二级放大器。

编辑：

有关该应用程序的更多详细信息。我正在感应光线水平；低，非常低，然后关闭。环境光没有问题，因此我不想过多地关注这个问题的光电晶体管方面。感兴趣的带宽约为1-10 kHz。普通收藏家几乎可以工作；我在保持所需带宽的同时将Re提高到可以达到的最高水平，但是我仍然希望Re大约大2倍，这会导致信号过慢。

在过去的两天内，我一直在尝试使用光电二极管和光电晶体管进行非常低的照明度项目。这适用于像我本人和原始海报这样的人，他们在没有光电倍增管的情况下将光检测推到极限（低于0.1 mW / cm ^ 2）。

我看了看第一个接收器模块，它的最小辐照度检测为0.2 mW / m ^ 2，这比分立光电二极管和光电晶体管能做的工作大约强10,000倍（能力较弱）（也许是cm ^ 2而不是m ^ 2？ ）。根据《电子艺术》（第996页，每uW光1 uA），这两种方法都不适合于真正的低光照水平，由于泄漏电流和噪声，它完全无法接近人眼所能做的事情。他介绍了使用光电倍增管，如果您的光线水平太低，可能需要使用光电倍增管。但是，在光线充足的房间里，通过我的手指发出的光，我可以看到在示波器上（用光电二极管或光电晶体管）无法检测到的眼睛。

假设他的每uW 1 uA是正确的，下面是一个示例：一个5毫米的光电二极管和光电晶体管的面积为20 micro m ^ 2。因此1 uW / m ^ 2（正午阳光的1/1000）将产生20 uA（根据《电子艺术》）。[[正午太阳光的1/1000为1 W / m ^ 2，大约是20米白炽灯在1米处的强度的6倍（6W光输出到周围球体的12 m ^ 2表面积中）。]]

但是，我的880nm光电晶体管数据表指示在1W / m ^ 2（0.1 mW / cm ^ 2）时为600 uA，这是30倍以上。假设所有的光都在二极管结的有效范围内。

Sharp提供了更好的应用笔记，但似乎缺少解释哪种设计最适合哪种情况的信息。图13最适合我所需要的原始海报，图10B非常有趣，但是我不知道它们所谓的“改善响应”是什么意思。 http://physlab.lums.edu.pk/images/1/10/Photodiode_circuit.pdf

当与运算放大器一起使用时，光电晶体管可能无法在非常低的光照水平下获得与光电二极管一样好的增益，因为它采用“便宜”的方法来获得其初始增益（晶体管代替运算放​​大器）。我怀疑带有JFET运算放大器（非常低的输入电流）的光电二极管最终将提供更高的增益，而噪声却更少。无论如何，具有最大光接收面积的光电二极管或光电晶体管可能具有检测低光水平的最佳能力，但也可能按比例增加噪声和泄漏，它们通常是潜在的问题。因此，这种类型的光检测存在局限性，理想的高效光电晶体管和光电二极管在与运算放大器配合使用时最终可能同样出色，但理论上我认为光电二极管要好一些。

对于双电源运算放大器，可以使用“低”值电阻对（两个1k对应10V Vcc以得到5mA偏置）来分压电压，从而为+ Vin产生虚假接地。

我发现反馈电阻的R = 1M比R = 4.7M好得多。Forrest Mimms在他的简单光电书中使用了一个10 M，并联的0.002uF电容和一个太阳能电池，而不是用一个“光电晶体管”或“光电二极管”来实现“极度”的低照度”（也许太阳能电池对您的应用会更好）。我听说过使用透明外壳的小信号二极管来检测光，在某种程度上结点可以像太阳能电池一样工作，我将常规的830 nm LED用作“光电二极管”。

无论使用哪种5mm光学二极管，其透镜角度都会有很大的不同。+/- 10度的灵敏度大约是+/- 20度的4倍....如果光源来自不到+/- 10度的光源。如果光源是前方+/- 20度的大区域，则没关系。

我测试了下面的两个电路。如果我对数据表的读数是正确的并且一直保持线性（大的ifs）一直下降到0.3uA，那么我可以在光电晶体管的Vo上检测到0.3V，5 ms的脉冲，这意味着0.3 uA，这意味着0.05 uW / cm ^ 2。也许是5 uW / cm ^ 2。如果0.05 uW / cm ^ 2是正确的，则现成的830 LED读数降至0.5 uW / cm ^ 2。我通过1厘米的组织（我的手指）发出10兆瓦830 nm的光。我知道，如果我使用的灯光水平为红色，则几乎看不到。下面的链接显示使用500 M欧姆反馈与光电二极管，指示低得多的光照水平。请注意其光电二极管的方向，与我的LED相同（从大多数Internet链接向后）。这样我得到了更好的结果。

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

我也在考虑反相运算放大器。最好的事情是双电源，这样您就不必使输入偏置即可创建虚拟地。图为示意图。您将获得一个以地为参考的正信号：更多的光=更高的输出电压。

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

$V_{CC}$

编辑 dd。2012-08-15 阿尔弗雷德·阿尔弗雷德（Alfred）
在此回答中指出，光电二极管也可以吸收电流而不会在其两端产生电压降。这意味着我们不需要负电源，并且可以有一个电源：

确保这是RRIO（轨到轨I / O）运算放大器。

编辑
在上面，我假设您要测量光照水平，即模拟值。但是重新阅读您的问题，无处表明您愿意。提到速度时建议接收脉冲代码。如果这就是您想要的，信号是什么样的？什么是波长（IR或可见光？）您不能使用IR接收器模块吗？

如果您确实需要灵活性，请考虑使用光电二极管而不是光电晶体管-您已经在构建跨阻放大器，那么为什么不一直使用呢？

此外，还有一本关于该主题的好书，其中包含许多详细的电路示例，以实现低噪声和/或高速。
霍布斯（Hobbs）着《构建电光系统：使其全部工作》。