Приемник — это половина оптической системы
Инфракрасные конструкции обычно обсуждаются в терминах эмиттера — его длины волны, мощности, угла. Приемник указывается позже, часто путем подбора длины волны, и именно приемник решает, будет ли система работать в реальных оптических условиях: окружающий свет, расстояние, допустимые отклонения по выравниванию и необходимая скорость.
Компания Jiangmen City Yiyang Infrared Semi-conductor Co., Ltd (Yiyang Optoelectronics YY) упаковывает инфракрасные фотодиодные приемники, излучающие диоды и модули приемников в Цзянмэне, провинция Гуандун, поставляя медицинский мониторинг, охранные сигнализации, умные дома и промышленные сенсорные приложения более 13 лет. Разговоры о спецификациях, которые определяют, будет ли приемник работать, касаются четырех параметров, и они взаимодействуют.
1. Спектральный диапазон отклика: видит ли он ваш эмиттер
Спектральный диапазон — это полоса, в которой детектор преобразует свет в ток. Для кремниевых фотодиодов это в широком смысле 400–1100 нм, но используемая полоса зависит от упаковки.
| Параметр | Типичное значение | Что это решает |
|---|---|---|
| Спектральный диапазон отклика (в зависимости от упаковки) | 400–1100 нм или 600–1100 нм с черной фильтрацией | Находится ли длина волны эмиттера в пределах используемой полосы |
| Полоса приемника для использования с пультом дистанционного управления на 940 нм | 840–1100 нм | Черные эпоксидные фильтры блокируют видимый свет, пропуская сигнал на 940 нм |
| Длина волны пиковой чувствительности | Приблизительно 850–950 нм | Область наивысшей эффективности преобразования для кремния |
Тонкость заключается в том, что упаковка изменяет эффективный диапазон. Прозрачный эпоксидный фотодиод реагирует на весь кремниевый диапазон, включая видимый свет — который в приложении с пультом дистанционного управления или прерыванием луча является именно тем шумом, которого вы не хотите. Черный фильтрованный эпоксидный корпус блокирует большую часть видимого окружающего света и пропускает инфракрасный диапазон, смещая используемый диапазон примерно на 840–1100 нм. Таким образом, две детали с одинаковым чипом и разным эпоксидом являются разными продуктами.
Спецификация должна указывать фильтрованный диапазон, а не сырой диапазон чипа, когда приложение связано с окружающим светом. Для внутреннего дистанционного управления и обнаружения охранных лучей фильтрованная часть почти всегда является правильным выбором.
2. Чувствительность: ток на ватт света
Чувствительность — это фототок, производимый на единицу падающей оптической мощности, выраженный в амперах на ватт (А/Вт). Это величина, которая преобразует оптический дизайн в электрический сигнал.
| Длина волны | Типичная чувствительность кремния | Последствия |
|---|---|---|
| 660 нм | ≈ 0.4 А/Вт | Видимый красный; используется в оксиметрии как эталонный канал |
| 850 нм | ≈ 0.6 А/Вт | Высокая эффективность; распространена для сенсоров и изображений |
| 905 нм | ≈ 0.6 А/Вт | Канал оксиметрии в ближнем инфракрасном диапазоне и дальномер |
| 940 нм | ≈ 0.5–0.6 А/Вт | Все еще эффективно и невидимо — стандарт для пультов дистанционного управления |
| 1050 нм и выше | Резко падает | Приближается к краю кремниевого диапазона; низкий выход, высокая температурная чувствительность |
Следуют три проектных последствия. Чувствительность зависит от длины волны, поэтому приемник, указанный для 940 нм, работает измеримо хуже на 1050 нм, даже если оба являются "инфракрасными". Чувствительность зависит от температуры: она немного увеличивается с температурой для кремния, в то время как темный ток растет гораздо быстрее, поэтому отношение сигнал/шум обычно ухудшается, даже если абсолютный сигнал не меняется. Указанная величина — это значение при комнатной температуре; любой дизайн, который должен работать в диапазоне от −20 °C до +85 °C, должен учитывать чувствительность и темный ток на обоих концах диапазона.
3. Темный ток: уровень шума
Темный ток — это ток, который течет без света. Это единственная наиболее важная величина для любого приложения, измеряющего небольшой оптический сигнал.
| Фактор | Влияние на темный ток |
|---|---|
| Температура | Примерно удваивается при каждом повышении на 10 °C — доминирующее влияние |
| Обратное напряжение | Увеличивается с смещением; фотодиод при 0 В имеет значительно меньший темный ток, чем при 30 В |
| Площадь чипа | Пропорциональна фоточувствительной площади — компромисс против сигнала |
| Качество материала и процесса | Хорошо контролируемая обработка и пассивация существенно снижают его |
Два пункта спецификации обычно упускаются. Условие смещения должно быть указано. Темный ток, указанный при 0 В (фотовольтаический режим), и темный ток, указанный при 5 В обратном (фотопроводящем режиме), могут отличаться на порядки; величина без своего смещения не сопоставима. Темный ток устанавливает практический уровень сигнала, а не потолок чувствительности. Приемник с отличной чувствительностью, но высоким темным током не может разрешить малый сигнал в темном измерении, что является именно тем условием в трансмиссионной оксиметрии через палец или в темном оптическом пути.
Для приложений, требующих наименьшего шума — пульсоксиметрия, точное оптическое сенсирование, обнаружение слабого света — правильная спецификация — это требование ультранизкого темного тока, совместимое с определенным смещением и температурой, и поставщика следует попросить подтвердить условия тестирования, а не только типичное значение.
4. Обратное напряжение, емкость и время отклика
Эти три параметра определяют, насколько быстро может работать приемник, и они образуют единый компромисс.
| Параметр | Типичное значение | Компромисс |
|---|---|---|
| Обратное напряжение Vr (макс) | ≥ 30 В для многих кремниевых PD приемников | Большее смещение снижает емкость и ускоряет отклик, но увеличивает темный ток |
| Емкость перехода | Уменьшается с увеличением обратного смещения | Низкая емкость дает более быстрый отклик и более широкий диапазон частот |
| Время отклика (возрастание/падение) | Наносекунды до микросекунд в зависимости от площади и смещения | Более быстрый отклик обычно требует меньшей активной площади |
| Фоточувствительная площадь | Большая площадь собирает больше света | Большая площадь увеличивает емкость и темный ток, замедляя отклик |
Инженерный итог заключается в том, что нет универсально лучшего фотодиода, есть только лучшее соответствие. Устройство с большой площадью и низким смещением дает максимальный сигнал и минимальный темный ток, но медленно; устройство с маленькой площадью и высоким смещением быстрое, но собирает меньше света и имеет больший темный ток.
Для пульсоксиметра сигнал представляет собой небольшой модулирующий компонент на большом фоне, а частота модуляции низкая — десятки герц до нескольких килогерц. Поэтому это приложение требует большой фоточувствительной площади и низкого темного тока и не нуждается в скорости в наносекундах. Для датчика прерывания луча, нарушающего световой путь на высоких частотах повторения, приоритеты меняются. Указание необходимой полосы частот наряду с уровнем сигнала позволяет поставщику выбрать правильное устройство вместо самого быстрого.
5. Упаковка, фильтрация и монтаж
| Упаковка | Характеристика | Типичное использование |
|---|---|---|
| 5 мм круглый черный фильтрованный DIP | Фильтрует видимый свет, удлиненные выводы можно обрезать | Дистанционное управление, сенсоры, безопасность, промышленная автоматизация |
| Квадратный DIP PD приемник | Квадратное окно для света, большой фоточувствительный чип, позолоченные выводы | Пульсоксиметры, оборудование для оптического обнаружения |
| Миниатюрный квадратный SMD PD приемник | Низкий профиль, позолоченные площадки, совместимость с переплавкой | Одноразовые SpO₂ зонды, модули для запястья, тонкие оксиметры для кончиков пальцев |
| Головка приемника типа мост | Структура линзы моста, черная фильтрация | Головки приемников для компактных приборов и сенсорных продуктов |
Для SMD приемников три правила процесса должны быть включены в спецификацию, а не в отдельную заметку по обращению. Максимальная температура переплавки обычно ограничена ≤260 °C с высокой температурной экспозицией в течение около 10 секунд, так как превышение этого значения повреждает чип. Маркировка полярности должна быть указана на детали — анодные и катодные маркировки на задней стороне — поскольку обратное соединение не допускается, и неправильно ориентированная деталь выходит из строя без предупреждения. Влагозащитная упаковка является частью продукта: SMD приемники поставляются в вакуумной влагозащитной ленте, и рекомендуется монтировать в течение 24 часов после открытия, при этом длительное хранение должно быть в запечатанном виде.
Контрольный список спецификаций приемников
- Указан фильтрованный спектральный диапазон (например, 840–1100 нм), а не сырой диапазон чипа, где присутствует окружающий свет.
- Чувствительность указана на длине волны системы, а не на пике, и с учетом температурного условия.
- Темный ток указан с его смещением и температурой — величина без этих данных не сопоставима.
- Фоточувствительная площадь указана, так как она влияет на сигнал, емкость и темный ток одновременно.
- Максимальное обратное напряжение указано и согласовано предполагаемое рабочее смещение.
- Время отклика или полоса частот указаны относительно частоты модуляции, которую фактически использует система.
- Температурный диапазон указан для полностью собранного устройства, охватывающего реальные условия эксплуатации.
- Упаковка и фильтрация идентифицированы по номеру детали, так как цвет эпоксидной смолы изменяет продукт.
- Указаны пределы процесса SMD — максимальная температура переплавки, маркировка полярности и влагозащитная упаковка с 24-часовым окном для монтажа.
- Подтверждено соблюдение экологических норм — RoHS и без свинца с ссылкой на отчет, что важно для медицинских и экспортных приложений.
Приемники, работающие в реальной оптической среде
Выбор фотодиодов — это набор преднамеренных компромиссов между сигналом, шумом и скоростью. Спецификация, которая указывает только длину волны, оставляет каждый из этих компромиссов для обнаружения во время тестирования, в условиях, наименее удобных для изменения дизайна.
Отправьте нам длину волны вашего эмиттера, ожидаемый уровень сигнала и необходимую полосу частот, и мы вернем спецификацию приемника с фильтрованным диапазоном, чувствительностью, темным током при согласованном смещении, активной площадью и упаковкой, указанной для каждого кандидата, с образцами для измерений в вашей собственной оптической установке.
