如何去使用OPT101单片光电二极管

　　一、特性
　　1.单电源供电：+2.7 to +36V
　　2.光电二极管尺寸：0.09inch×0.09inch（2.29mm×2.29mm）
　　（适合做电光源分布范围测定）
　　3.片内放大器反馈电阻：RF = 1MΩ
　　4.光敏二极管响应：0.45A/W （650nm）
　　5.响应带宽：14kHz（RF = 1MΩ）
　　6.极低的静态电流：120µA
　　7.封装模式：8-DPI，5SIP和8引脚表面贴焊封装
　　二、应用
　　1.医学仪器
　　2.实验室器械
　　3.位置和接近传感器
　　4.光学分析仪
　　5.条码扫描仪
　　6.烟雾探测器
　　三、说明
　　OPT101是一种单片光电二极管，具有片上功能跨阻放大器。光电二极管与跨阻放大器的集成电路芯片解决了在离散设计中遇到的一些常见问题，如泄漏电流误差、噪声拾取和增益峰值杂散电容的结果。输出电压随光强线性增加。设计了放大器用于单电源或双电源操作。
　　0.09英寸×0.09英寸（2.29毫米×2.29毫米）光电二极管在光电导模式下工作，具有良好的线性度和较低的暗电流。
　　OPT101从2.7 V到36 V电源工作静态电流仅为120μA，提供透明塑料8针PDIP封装和SOP用于表面安装。温度范围为0°C至70°C。
　　内部结构示意图：
　　
　　上图为OPT内部框图，其中4管脚的1MΩ的反馈电阻是存在于芯片内部的，外围无需加入。芯片内部的1MΩ与3pF组成的反馈网络，将引脚4、5连接即可构成基本应用电路。
　　OPT101光谱响应曲线：
　　（在可见光范围具有较好的线性特性）
　　
　　四、手册修订历史
　　（略）
　　五、引脚说明
　　OPT101引脚示意图：
　　
　　其中芯片中央的虚线框（1）是光电二极管的位置。
　　引脚功能
　　［tr］NO.NAMEI/O说明［/tr］1VsPower传感器电源引脚，相对于–V引脚施加2.7 V至36 V电压
　　2-InInput运算放大器的负输入和光电二极管的阴极。要么不连接，要么应用到片外额外的运算放大器反馈
　　3-VPower接地 或 连接到符合推荐工作条件的负电压
　　41 MΩ FeedbackInput连接到内部反馈网络，通常与输出端引脚5相连
　　5OutputOutput传感器电压信号输出
　　6NC—空引脚，无定义
　　7NC—空引脚，无定义
　　8CommonInput光电二极管的阳极，通常直接接地
　　六、传感器参数
　　6.1极限条件
　　［tr］------MinMax单位［/tr］电源电压（Vs至公共引脚或–V引脚）036V
　　工作温度-2585℃
　　存储温度-2585℃
　　将设备置于超过绝对最大额定值的环境可能会对设备造成永久性损坏，长时间暴露在绝对最大额定条件下可能会影响设备的可靠性。
　　6.2抗静电能力
　　
　　6.3推荐工作条件
　　工作电压：2.7-36V
　　工作温度：0-70℃
　　6.4热性能信息
　　
　　6.5 电气特性
　　以下数据在工作温度T=25°C时，VS=2.7 V至36 V，λ=650 nm，使用内部1 MΩ反馈电阻，RL=10 kΩ 条件下测量得出
　　
　　接上图
　　
　　6.6光电二极管电气特性
　　
　　6.7 运放电气特性
　　
　　6.8典型特性概览（具体意义请参考第8节）
　　图1 归一化光谱响应曲线图
　　图2 电压响应度与辐射功率关系曲线图
　　
　　图3 电压响应度与辐照度关系曲线图
　　图4 电压响应率与频率关系曲线图
　　
　　图5 响应与入射角关系曲线图
　　图6 暗输出电压与温度关系曲线图
　　
　　图7 静态电流与温度关系曲线图
　　图8 静态电流 vs（VOUT–VPIN3）
　　
　　图9 短路电流 vs VS
　　图10 （IBIAS–IDARK）与温度关系曲线图
　　
　　图11 输出噪声电压与测量带宽关系曲线图
　　图12 噪声有效功率与测量带宽关系曲线图
　　
　　图13 小信号响应曲线图
　　图14 大信号响应曲线图
　　图15 C（LOAD）=10pF， Pin 3=0V时，小信号响应曲线图
　　图16 C（LOAD）=10pF，Pin 3=-15V时，小信号响应曲线图
　　
　　七、参数测量信息
　　7.1 光源定位和均匀性
　　OPT101的测试光源均匀地照亮集成电路的整个区域，包括运算放大器。虽然集成电路（IC）放大器的硅在某种程度上对光敏感，但OPT101运算放大器电路的设计是为了尽量减少这种影响。敏感结用金属屏蔽，光电二极管的面积远大于运放输入电路面积。
　　如果光源聚焦到一个小的区域，确保它正确对准落在光电二极管上。与均匀照亮芯片整个区域的光源相比，仅落在光电二极管上的窄聚焦光束具有更加稳定的建立时间。
　　如果一个窄聚焦光源错过了光电二极管区域，并且只落在运算放大器电路上，那么OPT101就不能正常工作。OPT101具有0.09英寸×0.09英寸（2.29毫米×2.29毫米）光电二极管区域，窄聚焦光源可以轻松定位到光电二极管区域。OPT101传感器的光电二极管区域很容易看到，因为与周围的有源电路相比，该区域显得非常暗。
　　光源的入射角也会影响均匀辐照度下的视灵敏度。 对于较小的入射角，灵敏度损失仅仅是由于光电二极管的有效集光面积较小（与角度的余弦成正比）。在较大的入射角下，光被封装衍射和散射。这些效果如图5所示。
　　
　　八、详细说明
　　8.1 综述
　　OPT101是一种大面积光电二极管，集成了优化的运算放大器，使OPT101成为一种小型、易于使用的光电压转换设备。
　　光电二极管有一个非常大的测量面积，收集了大量的光，因此可以进行高灵敏度的测量。
　　光电二极管具有较宽的光谱响应，在红外光谱中有一个最大峰值，可用范围从300 nm到1100 nm。2.7 V至36 V的宽电源范围使该设备适用于各种架构；从全模拟电路到数据转换基础电路。
　　芯片上的电压源保持放大器在一个良好的工作区域，即使在低光水平。OPT101电压输出是光电二极管电流乘以反馈电阻（IDRF）加上为单电源操作引入的大约7.5 mV的基座电压VB的乘积。 无光照射情况下，输出是7.5mV，输出电压大小随照明度的增加而增加。
　　光电二极管电流，I（D），与落在光电二极管上的辐射功率或通量（瓦特）成正比。在650 nm（可见红色）波长处，光电二极管的响应率RI约为0.45 a/W。其他波长处的响应率如图1所示。
　　
　　内部反馈电阻被激光修整为1 MΩ。使用该电阻器，在650nm波长处的输出电压响应率Rv约为0.45v/μW。如图2所示，在以微瓦为单位的辐射功率范围内的响应。图3显示了在以瓦特每平方米为单位的辐照度范围内的响应。
　　
　　
　　8.2 原理框图
　　
　　8.3 特性说明
　　8.3.1 传感器的暗属性
　　电气特性表中的暗误差包括了所有的来源。暗输出电压的主要来源是施加在运放非反相输入端的基座电压。引入这个电压是为了在光不落在光电二极管上的情况下提供线性工作。
　　光电二极管的暗电流约为2.5 pA，在室温下几乎不产生偏置误差。运放求和结（负输入）的偏置电流约为165pa。暗电流从放大器偏置电流中减去，剩余电流通过反馈电阻产生偏置。温度对这个差电流的影响见图10。
　　
　　图17所示的可选电路将暗输出电压微调为零。使用低阻抗偏置驱动器（运放）来驱动引脚8（通用），因为这个节点有依赖于信号的电流。
　　
　　8.3.2 反馈网络和动态响应
　　OPT101具有最佳动态响应的反馈网络。OPT101的动态响应由反馈网络和运放组合控制。使用内部1 MΩ电阻器，光电二极管和运算放大器组合的动态响应可以建模为一个简单的RC电路，截止频率为–3 dB，约为14 kHz。R和C值分别为1 MΩ和11 pF。
　　为了提高频率响应，使用寄生电容小于3-pF的外部电阻器。图19所示配置中使用的外部1 MΩ电阻器产生23 kHz带宽，具有相同的106 V/a直流跨阻增益。这种增加的带宽产生大约15μs（10%到90%）的上升时间。
　　图19 仅使用外部电阻器改变响应度（禁用内部电阻器）
　　
　　动态响应不受运放转换率的限制，如图13和图14所示，显示了几乎相同的大信号和小信号响应。
　　
　　动态响应随反馈网络值的变化而变化，如图4所示。上升时间（10%至90%）随反馈网络值产生的–3dB带宽而变化，
　　如等式1所示：t（ r ）=0.35 / f（ C ），其中t ®是上升时间（10%至90%），f（ C ）是–3dB带宽。
　　
　　8.3.2.1 变化响应度
　　要设置不同的电压响应度，请连接外部电阻器R（EXT）。为了增加响应度，将该电阻器与内部1 MΩ电阻器串联（图18），或通过不连接引脚4（图19）将内部电阻器更换为外部电阻器。当使用小于1兆欧的外部电阻器时，第二种配置还将电路增益降低到106伏/安以下。
　　图18 通过外部电阻与内部电阻串联来改变响应率
　　
　　
　　图19 仅使用外部电阻器改变响应度（禁用内部电阻器）
　　
　　
　　使用明显大于内部1兆欧电阻器的反馈电阻器的应用需要特别考虑。 在较高的温度下，运算放大器的输入偏置电流和光电二极管的暗电流显著增加。这种增加加上更高的增益（RF》1 MΩ）会导致运算放大器输出在高温下被驱动到地。如果出现此问题，请使用施加到引脚8的正偏压，以确保当光电二极管不暴露于光时，运算放大器输出保持在线性工作区域。或者，使用双电源。
　　当感应到黑暗条件时，输出可能为负。使用黑暗性能部分和图10中讨论的信息来分析所需的配置。
　　
　　8.3.3 噪声
　　OPT101的噪声性能由运放特性、反馈网络、光电二极管电容和信号电平决定。
　　
　　图11显示了当输出电压减去引脚3上的电压（–V）大于约50 mV时，噪声如何随射频和测量带宽（0.1 Hz到指定频率）而变化。
　　低于此电平时，输出级断电，有效带宽降低。这种降低的带宽将噪声降低到大约300μVrms或100μVrms标称噪声值的1/3。这种降低的带宽使得低电平信号能够被解析。
　　为了降低噪声和提高信噪比，用与信号带宽相等的截止频率对输出进行滤波。此外，输出噪声与反馈电阻的平方根成正比增加，而响应度随反馈电阻线性增加。为了提高信噪比性能，使用较大的反馈电阻，如果降低带宽是可以接受的应用。
　　光电探测器的噪声性能有时以噪声有效功率（NEP）为特征，NEP是产生等于噪声级的输出信号的辐射功率。NEP以辐射功率（瓦特）或W/√Hz为单位来传递噪声的光谱信息。图12说明了OPT101的NEP。
　　
　　8.3.4线性性能
　　光电二极管是在光电导模式下工作的，所以光电二极管的电流输出在很宽的范围内与辐射功率非常线性。
　　当光电二极管电流小于100μA时，非线性保持在约0.05%以下。光电二极管能够在高辐射功率下产生1mA或更大的输出电流，但在该区域非线性增加到百分之几。在高辐射功率下的这种非常线性的性能假设整个光电二极管区域被均匀地照明。如果光源聚焦到光电二极管的一个小区域，则在较低的辐射功率下会出现非线性。
　　8.3.5电容负载驱动
　　OPT101能够驱动10nF的负载电容而不失稳。然而，通过对引脚3施加负偏压（图20所示为-V），电容性负载的动态性能可能会得到改善。负电源电压允许输出负响应于电容性负载的无功效应。连接在引脚5（输出）和引脚3（–V）之间的内部JFET允许输出吸收电流。当驱动一些需要信号源将电流吸收到大约100μA的模数转换器的电容输入时，这种电流吸收能力也很有用。这种电流吸收的优点如图15和图16所示。这些图比较了针脚3（–V）接地并连接到–15 V时的工作情况
　　
　　
　　由于该输出级电流接收器的结构，当引脚3（–V）和输出之间有电压时，工作电流会略有增加。根据电压的大小，静态电流增加约100μA，如图8所示。
　　
　　8.4 设备功能模式
　　OPT101具有单一功能模式，当电源电压大于2.7 V时可以工作。OPT101的最大电源电压为36 V。
　　九、应用与实现
　　9.1 应用程序信息
　　图21显示了OPT101的基本电路连接，OPT101使用单电源工作，并使用内部1 MΩ反馈电阻器，在650 nm下的响应为0.45 V/μW。在这种配置中，引脚3（–V）与公共线相连。使用高阻抗电源的应用可能需要靠近设备引脚的去耦电容器。
　　
　　9.2 几种典型应用
　　9.2.1 彩色反射波长测试仪
　　OPT101的一个常见应用程序是测试物理材料。通过确定特定波长下的光学反射、透射或吸收特性，可以获得关于测试材料的信息。这些测试材料可以是固体，生物或化学液体，或任何其他类型的材料。
　　作为一个直观的例子，这个用于OPT101的应用程序测试各种测试材料的红色、绿色和蓝色反射色属性。这个应用程序并不是为了与国际玻璃委员会（CIE）定义的颜色标准相匹配，而是为了说明一种特定于光波长的测试威廉希尔官方网站 。不同的应用程序可以测试不同的波长，包括不可见的紫外线或红外波长，这是适合于该应用程序的目标。
　　
　　9.2.1.1设计要求
　　对于这个设计示例，使用表3中列出的参数作为输入设计需求参数。
　　
　　9.2.1.2详细设计程序
　　该设计用特定波长照亮测试材料，并测量反射结果。选择一个RGB LED，按顺序产生单独的红、绿、蓝波长。
　　红色物质对红色波长的反射很强，绿色和蓝色波长的反射较弱。绿色和蓝色材料遵循类似的模式，反射各自的基色波长比其他颜色波长强。
　　设计一个允许RGB LED照亮测试材料并允许OPT101接收反射的夹具，如图22所示。将室内设计成不让环境光线进入室内。在室内铺上哑光黑箔，这样室内的墙壁就能吸收尽可能多的光线。
　　哑光的黑色箔帮助OPT101传感器测量主要来自测试材料的反射，而只有最低限度来自测试室壁的反射。在RGB LED和OPT101传感器之间设计一个挡板结构，这样光线就不会直接从RGB LED传输到OPT101传感器，而不会被测试材料反射。
　　在房间上方放置一个额外的外壳，以加强与房间内任何光线的隔离。用5v电源驱动OPT101电源引脚VS，用电压表测量输出引脚电压。这个电压表可以很容易地用ADC替换。为每个RGB LED选择LED驱动电流。
　　在整个过程中，要么驱动每个LED与这个特定的选择电流，或不驱动LED。选择一个能使功耗相等的LED驱动电流（驱动电流乘以每个LED上的正偏压降）。
　　当在两个led之间切换时，等量的功率损耗使热瞬态稳定时间最小化。如果测试速度和稳定时间对应用程序来说不是问题，则不需要等功率损耗。通过测量作为测试材料的标准白卡来校准夹具。
　　驱动红色LED，并记录OPT101产生的电压。对绿色和蓝色led重复此步骤。接下来，用与白色卡片相同的程序测量一种测试材料。通过将测试材料的结果除以每个LED的白卡结果，使结果标准化。
　　通过选择三个LED归一化测量值中最大的值来确定对象的颜色。通过将三个LED测量值除以三个测量值中的最大值，执行一个额外的标准化步骤以提高数据的清晰度。
　　9.2.1.3应用曲线
　　下图是测试材料的颜色排序，与预期一致。红色测试材料对红色LED的反射均强于绿色和蓝色LED。结果被划分为四组：红色（图23，蓝色（图24），绿色（图25）和中性色（图26）。应用程序清楚地识别出每种测试材料的原色。当颜色是中性时，红色、绿色和蓝色的测试结果非常相似，正如预期的那样（相差10%以内）。
　　红色的结果对比最大。绿色的结果对比最小。这些结果可能是不同的，因为红色LED与绿色和蓝色LED的光谱重叠最少。绿色LED有最宽的光谱含量。如果需要更多的对比度，可以尝试光谱更窄的led（或其他光源）。
　　
　　
　　9.2.2三线制远传测光
　　使用图27右侧所示的到OPT101的连接，使用三线光测量电路来感知远程位置。
　　
　　9.2.3差分光测量
　　对于感知光梯度或差分光的应用程序，可以使用类似于图28的配置。
　　
　　9.2.4 LED输出调节电路
　　为了让一个LED（或其他灯）在温度变化和LED寿命效率下降的情况下产生恒定的光量，使用类似于图29的电路。当LED的效率降低时，该电路增加LED的驱动电流，使输出保持在适当的恒定水平。
　　
　　9.3注意事项
　　与任何光学产品一样，在操作OPT101时必须特别小心。虽然OPT101对灰尘和划痕的敏感性较低，但仍然建议采用适当的光学设备处理方法。
　　该设备的光学表面必须保持清洁，以获得最佳性能的原型与设备和大规模生产制造程序。建议使用塑料或橡胶接触面的镊子，避免划伤光学表面。尽可能避免使用金属工具操作。
　　光学表面应清除指纹、灰尘和其他阻光污染物。如果设备光学表面需要清洁，请使用去离子水或异丙醇。用软拭子刷刷是合适的。避免潜在的研磨清洗和操作工具和过度的力量，可能划伤光学表面。如果OPT101性能不佳，请检查光学表面是否有污垢、划痕或其他光学伪影。落在运放电路区域的任何光线必须是均匀的;有关光均匀性的更多信息，请参阅参数测量信息部分。
　　十、电源建议
　　OPT101设计用于在2.7 V和36 V之间的输入电压范围内工作。为确保电源输入调节良好，在VS（引脚1）和–V（引脚3）之间放置一个0.01-µF到0.1-µF的低阻抗短连接旁路电容器。
　　如果–V（针脚3）未连接到公共线（针脚8），则在VS（针脚1）和公共线（针脚8）之间放置一个额外的旁路电容器。