Amplificador de transimpedância para fototransistor

Eu tenho um fototransistor NPN típico. Eu o tenho trabalhando em uma configuração de coletor comum; veja a figura 2 desta nota de aplicativo .

Aumentar Re aumentará a sensibilidade, mas diminuirá a velocidade. Estou estudando fototransistores há alguns dias e acho que um amplificador de transimpedância pode me dar uma sensibilidade adicional sem sacrificar a velocidade, já que não terei mais o carregamento do emissor.

No entanto, não consigo encontrar implementações diretas. A grande maioria das notas de aplicativos descreve fotodiodos. Ao contrário de um fotodíodo, um fototransistor precisa ser polarizado, e as poucas notas de aplicação que discutem o uso de fototransistores assumem a presença de uma tensão de polarização negativa em seus amplificadores de transimpedância. Preciso de uma solução que funcione com um amplificador operacional de fornecimento único.

Um aterramento virtual na entrada não inversora do amplificador de transimpedância influenciaria corretamente o fototransistor? Geralmente, o terreno virtual fica a meio caminho entre o VCC e o GND, mas acho que não precisa ser. Minha tensão de saturação do fototransistor é de 0,15V; dado VCC = 3.3V, isso significa que meu terreno virtual pode estar em ~ 3V?

Existe uma maneira melhor de projetar esse circuito? Gostaria que a saída chegasse o mais próximo possível do GND, porque provavelmente haverá um amplificador de segundo estágio.

EDITAR:

Mais detalhes sobre o aplicativo. Estou sentindo os níveis de luz; baixo, muito baixo e desligado. Como não há problemas com a luz ambiente, prefiro não me concentrar muito no aspecto do fototransistor dessa questão. A largura de banda de interesse é de 1 a 10 kHz. O colecionador comum quase funciona; Aumentei Re o mais alto possível, mantendo a largura de banda desejada, mas ainda assim gostaria que Re fosse cerca de duas vezes maior, o que resulta em um sinal muito lento.

Eu tenho tentado fazer um projeto de nível de luz muito baixo nos últimos 2 dias com fotodiodos e fototransistores. Isso é para pessoas como eu e o pôster original que estão levando a detecção de luz sem um fotomultiplicador ao limite (abaixo de 0,1 mW / cm ^ 2).

Eu olhei para o primeiro módulo receptor e sua detecção de irradiância mínima era de 0,2 mW / m ^ 2, o que é cerca de 10.000 vezes mais (menos capaz) do que o que fotodiodos e fototransistores distintos podem fazer (talvez eles significassem cm ^ 2 em vez de m ^ 2? ) Também não são bons para níveis de luz realmente baixos, de acordo com "Art of Electronics" (1 uA por uW de luz, página 996), totalmente incapazes de se aproximar do que o olho humano pode fazer devido à corrente e ruído de vazamento. Ele descreve o uso de fotomultiplicadores que podem ser necessários se os níveis de luz estiverem muito baixos. No entanto, ao iluminar os dedos em uma sala bem iluminada, consigo ver o que meus olhos não conseguem detectar em um osciliscópio (com PhotoDiode ou PhotoTransistor).

Supondo que seus 1 uA por uW estejam corretos, aqui está um exemplo: fotodiodos de 5 mm e fototransistores têm uma área de 20 micro m ^ 2. Assim, 1 uW / m ^ 2 (1/1000 da luz solar do meio-dia) geraria 20 uA (de acordo com a Art of Electr). [[1/1000 da luz solar do meio-dia é 1 W / m ^ 2, que é duas vezes mais forte que uma luz incadescente de 20W a 1 metro (saída de luz de 6W na área de 12 m ^ 2 de uma esfera circundante). ]]

No entanto, minha folha de dados do fototransistor 880nm indica 600 uA a 1W / m ^ 2 (0,1 mW / cm ^ 2), o que é 30 vezes mais. Isso pressupõe que toda a luz esteja dentro da faixa ativa da junção do diodo.

A Sharp possui uma nota de aplicação muito melhor, mas parece estar faltando explicar qual design é melhor para quais situações. A Figura 13 é mais aplicável ao que eu e o pôster original e a Figura 10B é muito interessante, mas não sei o que eles querem dizer com "melhora a resposta". http://physlab.lums.edu.pk/images/1/10/Photodiode_circuit.pdf

Quando usado com um amplificador operacional, um fototransistor pode não conseguir obter um ganho tão bom quanto um fotodiodo para níveis de luz muito baixos porque utiliza um método "barato" para obter seu ganho inicial (transistor em vez de amplificador operacional). Eu suspeito que um fotodiodo com um amplificador operacional JFET (corrente de entrada muito baixa) acabaria por proporcionar um ganho maior com menos ruído. De qualquer forma, o fotodíodo ou fototransistor com a maior área de recepção óptica pode ter a melhor capacidade de detectar baixos níveis de luz, mas isso também pode aumentar o ruído e o vazamento em uma quantidade proporcional e geralmente são o problema subjacente. Portanto, existe um limite para esse tipo de detecção de luz e fototransistores e fotodiodos idealmente eficientes podem ser igualmente bons quando usados ​​com um amplificador operacional, mas teoricamente suspeito que o fotodiodo seja um pouco melhor.

Para o amplificador operacional de fonte dupla, você pode usar um par de resistores com valor "baixo" (dois 1k para 10V Vcc para obter um viés de 5 mA) para dividir a tensão e criar um aterramento falso para o + Vin.

Encontrei R = 1M para o resistor de feedback muito melhor que R = 4.7M. Forrest Mimms, em seu livro opto simples, usou um 10 M com um 0,002uF paralelo e uma célula solar em vez de um fototransistor ou fotodiodo para níveis de luz baixos "extremamente" (talvez uma célula solar seja melhor para a sua aplicação). as junções parecem funcionar como uma célula solar, até certo ponto, como já li sobre o uso de diodos de sinal pequenos e transparentes para detectar a luz.Estou usando um LED regular de 830 nm como meu "fotodiodo".

O ângulo da lente de qualquer diodo óptico de 5 mm usado faz uma grande diferença. +/- 10 graus é aproximadamente 4 vezes mais sensível que +/- 20 graus .... se a fonte de luz estiver abaixo de +/- 10 graus. Se a fonte de luz for uma área grande com +/- 20 graus na frente, isso não importa.

Eu testei os dois circuitos abaixo. Eu poderia detectar pulsos de 0,3 V, 5 ms no Vo do fototransistor, o que significa 0,3 uA, o que significa 0,05 uW / cm ^ 2 se minha leitura da folha de dados estiver correta e se ela permanecer linear (big ifs) até 0,3 uA. Talvez fosse 5 uW / cm ^ 2. Se 0,05 uW / cm ^ 2 estiver correto, o LED 830 pronto para uso estava lendo 0,5 uW / cm ^ 2. Eu estava brilhando 10 mW 830 nm de luz através de 1 cm de tecido (meu dedo). Eu sei que, se os níveis de luz com os quais eu estava trabalhando fossem vermelhos, ele seria pouco visível. O link abaixo mostra o uso de feedback de 500 M ohm com um fotodiodo, indicando níveis de luz muito mais baixos. Observe a orientação do fotodiodo, que é igual ao meu LED (retrocedido na maioria dos links da Internet). Eu obtive melhores resultados dessa maneira.

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

Eu também estava pensando em um amplificador opamp inversor. O melhor seria uma fonte de alimentação dupla, para que você não precise influenciar as entradas para criar um terreno virtual. A imagem mostra o esquema. Você terá um sinal positivo à terra: mais luz = tensão de saída mais alta.

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

$V_{CC}$ . Você precisa influenciar as duas entradas, a saída também terá essa tendência.

editar dd. 2012/08/15
Em esta resposta Alfred mostrou que um fotodiodo também vai afundar atual sem uma queda de tensão em toda ela. Isso significa que não precisamos da oferta negativa, e uma única oferta é possível:

Certifique-se de que seja um opamp RRIO (E / S trilho a trilho).

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No exemplo acima, presumi que você deseja medir os níveis de luz, ou seja, os valores analógicos. Mas relendo sua pergunta, em nenhum lugar você diz que sim. A menção de velocidade sugere a recepção do código de pulso. Se é isso que você quer, como é o sinal? Qual é o comprimento de onda (infravermelho ou luz visível?) Você não pode usar um módulo receptor de infravermelho ?

Se você realmente precisa de flexibilidade, considere usar um fotodiodo em vez de um fototransistor - você já está construindo um amplificador de transimpedância, então por que não percorrer todo o caminho?

Além disso, há um ótimo livro sobre o assunto, com muitos exemplos detalhados de circuitos, para baixo ruído e / ou alta velocidade.
Construindo sistemas eletro-ópticos: fazendo tudo funcionar, de Hobbs .