带有光电二极管电路的PCB应该怎么设计

我一直想知道小时候电视遥控器是如何工作的。拿到第一部照相手机后，我意识到手机的照相机对大多数遥控器上的红外LED都很敏感，并且电视必须具有相同类型的检测器。这是光电二极管电路发挥作用的地方，它使电视可以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，光电二极管还有许多用途。无论您使用什么应用程序，都需要了解光电二极管如何产生一些电流以及如何设计使用该电流的电路。

光电二极管如何工作？

从最简单的意义上讲，光电二极管是光电元件，这意味着它们将光转换为电。在没有光源的情况下，也可以用电压驱动它们以产生少量电流。一旦光击中了光电二极管，电流就会大大增加，类似于太阳能电池。如果查看光电二极管的电流-电压曲线，则其形状与太阳能电池的电流-电压曲线相同。这样，光电二极管的作用就像简单的光传感器，可以通过施加电压来控制灵敏度。

当光电二极管在没有照明的情况下以一定电压驱动时，其行为将类似于典型的整流二极管。在低施加偏压下，会有少量的饱和电流（称为暗电流）流过器件。就像典型的二极管一样，光电二极管在反向偏置时具有一定的击穿电压。

一旦光电二极管被照亮，器件的性能就取决于是否有施加到光电二极管的偏压以及极性。器件的IV曲线将随施加的电压成比例。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，都可以使用以下公式计算电流：

其中P是光源（W）的光功率，R是光电二极管（A / W）的响应度。注意，该方程式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。

为您的PCB选择光电二极管

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

l 响应度：这是对落在设备上的每瓦光功率产生的电流的度量。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。这是光电二极管将产生电流的波长范围。作为示例，硅光电二极管通常对大约200 nm（UV）至大约1100 nm（IR）范围内的波长敏感。响应度将在整个波长范围内变化。

l 分流电阻：这是施加零偏压时光电二极管的电流-电压曲线的斜率。理想的光电二极管应具有无限大的分流电阻，但实际分流电阻的范围可以在10到1000兆欧姆之间，因此最好的光电二极管具有最高的分流电阻。

l 饱和电流：这与分流电阻有关，并且等于在反向偏置（0 V和反向击穿电压之间）下运行时的电流。分流电阻通常使用欧姆定律参考10 mV电源电压和饱和电流定义。

l 端子电容：确定光电二极管的瞬态响应时间。与负载电阻结合使用时，上升时间等于RC时间常数。

l 响应温度系数：随着光电二极管温度的变化，特定波长下的响应度也会变化。随着温度的升高，由于能带变窄，响应光谱中的峰将显示红移。

设计光电二极管电路

光电二极管有许多应用，而您需要构建的确切电路将取决于所需的应用。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，并且在输出和运算放大器的输入之间连接一个反馈电阻。这实质上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，您无需将光电二极管置于偏压下。

注意，光电二极管也可以用于接收以调制光脉冲编码的数字数据。这通常是通过对光源应用脉冲宽度调制或幅度调制来完成的。对于脉冲宽度调制，您将需要考虑光电二极管和放大器的频率限制，因为这会限制最大数据速率。光电二极管的频率限制与其响应时间有关（请参见上面的端子电容）。通常将最大响应频率作为具有特定上升时间的数字脉冲的拐点频率。该频率等于0.35 /（响应时间）。

特定类型的称为雪崩光电二极管的光电二极管专门设计用于在接近反向击穿电压的反向偏置下工作。实际上，这会使光生载流子的数量成倍增加，从而在照明过程中产生一定的电增益。这种类型的光电二极管在处理弱光信号时非常有用，并且比在反向击穿电压附近简单运行标准光电二极管更耐用。

为了下次更轻松地设计光电二极管电路，请将所有模拟电路远离（嘈杂的）数字电路。接下来，应将为模拟和数字电路供电的平面分开。这些平面通常连接在机箱或板上的某处，但将它们分开会使噪声远离模拟电路。