Podpora vývoje může mít ze strany výrobce integrovaných obvodů mnoho podob a my si na několika vybraných příkladech tento měsíc názorně ilustrujeme, jak se k této „službě“ postavila společnost Analog Devices (na HW serveru čtěte též Analog Devices a řešení pro IO. Od A až po D).

 

Box s označením Design Support na domovské stránce jen tak nepřehlédnete. Výrobce nejen že má co nabídnout, ale rovněž tak hodlá i činit – ne někde ve skrytu složité struktury webu, za komplikovaných podmínek podmíněných registrací a už vůbec ne za úplatu. Výhody, které pro nás plynou třeba z takového on-line nástroje jakým je „Machr přes analogové filtry“, Analog Filter Wizard určený pro návrh kmitočtových filtrů, jsme si ostatně podrobně rozebírali již dříve v článku Navrhujeme analogové filtry. Po síti a se vším všudy. Není však jediným svého druhu a pokud vás jeho možnosti, včetně přehledného uživatelského prostředí, oslovily, pravděpodobně si rychle oblíbíte i dalšího „mága“. Připouštíme, že se tentokrát bude jednat o poněkud více specializovanou oblast návrhu elektronických systémů, a aplikaci si zřejmě nebudeme otevírat každý den, což ale rozhodně nesnižuje její přínos.

 

 

 

Na počátku stála dioda a ne hned tak ledajaká. Svítit sice neuměla, ale na světlo reagovala docela pěkně a tak zde máme fotodiody i s jejich náhradním schématem a aplikacemi, na kolik si jen vzpomeneme. A abychom nezapomněli, rovněž Analog Photodiode Wizard, webový nástroj se kterým do svého zapojení vybereme a navrhneme to nejlepší obvodové řešení.

 

Spustíme jej jediným kliknutím, vložíme několik málo nezbytných údajů, které mimo jiné zahrnují též intenzitu a vlnovou délku dopadajícího záření nebo požadovanou šířku pásma signálu, a počet vhodných prvků se konečně může začít zužovat. Na cestě k výslednému schématu zapojení, společně s rozpiskou součástek, nás jako již tradičně bude čekat řada užitečných charakteristik, výpočtů a také možností další optimalizace. Silnou stránkou nástroje zcela nepochybně budou všudypřítomné ikonky stručné nápovědy s otazníkem. V případě potřeby hlubšího proniknutí do celé problematiky jsme pak nasměrováni k dokumentu High Impedance Sensors, který si můžeme stáhnout jako soubor pdf.

 

Nástroj Photodiode beta ovládneme ve třech krocích, označených jako Photodiode, Circuit Design a Next Steps.

 

 

 

Abychom byli schopni zapracovat vliv ne zrovna ideálních vlastností fotodiod, namodelujeme si tento prvek s využitím jeho ekvivalentního zapojení. Při svých výpočtech využije Analog Photodiode Wizard zjednodušení dle obr. 2, stavějící na špičkovém proudu fotodiodou I_P (Peak Current), odporu R_SH (Shunt Resistance) a také kapacitě prvku C_D. Na HW.cz viz také sérii článků SPICE simulace složitějších obvodů.

 

 

Předpokládaný špičkový proud fotodiody bude během jejího provozu záviset jednak na citlivosti prvku a také na intenzitě dopadajícího světla. Jedná se tedy o maximální proud který budeme schopni měřit a následně reprezentovat špičkovým napětím na výstupu zapojení. Po přivedení záporného předpětí, různého od nuly, se u fotodiody dále potkáme s nenulovými proudy tekoucími strukturou i v případě, nebude – li na součástku dopadat žádné záření. V datasheetech bude toto chování často specifikováno proudem za temna při daném napětí V_R a v našem ekvivalentním zapojení mu přiřadíme odpor R_SH, který získáme jako podíl závěrného napětí a proudu za temna:

 

 

Třetí klíčovou složku zde vytváří kapacita C_D, ovlivňující maximální dosažitelnou rychlost, resp. šířku pásma fotodiody. S plochou přechodu poroste a se záporným předpětím V_R se bude zase snižovat.

 

 

V rámci vývojového nástroje se již celou dobu pohybujeme v první části s označením Photodiode – viz obr. 1. Definujeme zde velikost závěrného napětí V_R a napájení fotodiody, které může být v závislosti na konkrétním návrhu a jeho preferencích buď kladné nebo též záporné. V obou případech bude ale fotoprvek pólován závěrně, zatímco jeho druhý vývod systém zapojí na virtuální zem – invertující vstup operačního zesilovače.

 

Fotodiodu můžeme specifikovat buď výše zmíněnou kapacitou, odporem a proudem nebo si vhodný prvek vybereme rovnou z knihovny. K dispozici pak máme produkty hned od několika výrobců (Osram, Vishay a další), s různými provedeními pouzder, volitelným rozsahem vlnových délek, jejich špičkou, citlivostí, proudem za temna, kapacitou, odporem, odezvou, průrazným napětím v závěrném směru, aktivní plochou, úhly či pracovní teplotou. Ve výčtu zde nechybí ani příslušné SPICE soubory, odkazy na stránky výrobce, které někdy vedou přímo na daný prvek, a také datasheety.

 

 

 

 

U čeho se ještě krátce zastavíme, je právě volba závěrného předpětí – velikosti napětí na fotodiodě, jinak také kompromisu mezi stejnosměrnou (DC) přesností a šířkou pásma. Jak tedy postupovat v případě požadavků na maximální možnou přesnost systému? Předně bude nutné nadefinovat nulové předpětí, tzn. uvažovat fotovoltaický (hradlový) režim. Díky nulovému napětí na prvku nebude dioda generovat žádný proud za temna a my tak můžeme na výstupu minimalizovat offset. Pokud jde o rušení, omezíme se na tepelný šum rezistoru R_SH. Fotovoltaický režim bude zároveň provozní oblastí fotodiody s nejvyšší linearitou, což na druhé straně zase znamená největší parazitní kapacitu C_D, limitující dosahovanou rychlost.

 

A jak to bude se šířkou pásma? Nejlepších výsledků zde pro změnu dosáhneme právě po přivedení nenulového předpětí, kdy hovoříme o tzv. fotovodivostním (odporovém) režimu. Vyšším předpětím dosáhneme větší šířky vyprázdněné oblasti, nižší kapacity a tudíž i rostoucí šířky pásma prvku. Stinnou stránkou pak ale bude vyšší hladina šumu, nelinearita a rovněž stejnosměrná chyba způsobená proudem za temna. Je sice pravda, že lze jakoukoli fotodiodu provozovat jak ve fotovoltaickém tak též fotovodivostním režimu, obvykle však budou optimalizovány pro jedno nebo druhé (dle kvadrantu). V dokumentaci k součástce se proto můžeme setkat jen se specifikacemi pro konkrétně dané předpětí.

 

 

Vzhledem k tomu, že bude chování diody silně závislé na jejím závěrném napětí V_R, je důležité vkládat specifické hodnoty z datasheetu, které jednotlivým napětím V_R skutečně odpovídají. Pokud například změníme velikost závěrného napětí, bude nástroj Analog Photodiode Wizard očekávat, že jsme si v dokumentaci vyhledali a následně vložili kapacitu odpovídající danému předpětí. Zadaná velikost V_R se přitom k žádným výpočtům nevyužije a slouží pouze a jen k vytvoření přesného schématu.

 

Výše uvedený komentovaný rozbor zároveň názorně dokládá užitečnost nápovědy celého vývojového nástroje od Analog Devices. Přehledně se zde dozvíme vše potřebné a, pokud nám přesto některá z hodnot „ujede“, systém nás nebude jen červeně upozorňovat, ale nabídne třeba hned několik možností, jak z toho korektně ven, to aby např. dokázal najít vhodný operační zesilovač.

 

 

 

Nyní nás čeká druhá fáze, tzv. Circuit Design (obr. 5). Bude docela názorná, přičemž úpravy se okamžitě projeví nejen ve schématu, ale též ve vykreslovaných charakteristikách. V praxi z nich využijeme odezvu na skok, kmitočtovou závislost zisku Transimpedance Gain (poměr výstupního napětí ke vstupnímu proudu fotodiodou, lze v jednotkách V/A nebo též v dB), Noise Gain (V/V, dB), stabilitu a také odstup signálu od šumu SNR. Systém počítá ENOB, SNR a také offset výstupu.

 

Kromě definice výstupního napětí, volby Bandwidth / Pulse Width nebo možnosti optimalizovat posuvníkem špičky zde dále na základě zvolených parametrů změníme typ operačního zesilovače (systém jednotlivé volby OZ dokonce zdůvodňuje a vysvětluje PROČ NE) a také tu rozhodneme o počtu stupňů – jednom či dvou.

 

 

A k otázce počtu stupňů ještě kratičkou vsuvku. Budeme – li striktně omezováni místem na desce plošných spojů, není jeden stupeň špatnou volbou. Dvoustupňové řešení však může znamenat určité výhody a výrobce jich v nápovědě vypočítává hned pět:

 

1) Návrh se dvěma stupni zahrnuje dodatečnou filtraci druhého stupně pro další omezení šumu

2) Zvolíme – li v prvním stupni tohoto nástroje kladné napájení fotodiody, bude výstupní napětí zapojení s jediným stupněm záporné. Dvoustupňové řešení pak výstupní napětí prvního operačního zesilovače invertuje, takže ve výsledku dostáváme kladný výstup, který bude pro buzení A/D převodníku obvykle praktičtější

3) Vzhledem k tomu, že se na výsledném zesílení podílí celkem dva stupně, bude možné dosáhnout vyšších zisků a také větších rychlostí ve srovnání se stupněm jediným

4) Dvoustupňový návrh klade méně požadavků na použité operační zesilovače a my tak nejsme při jejich výběru tolik „omezováni“

5) Návrh se dvěma stupni si bude žádat menší hodnoty zpětnovazebních rezistorů R_f prvního operačního zesilovače. Můžeme proto zapojit velké kompenzační kondenzátory C_f a těžit přitom z menší chyby spojované s kapacitou

 

 

 

Článek krátce nastínil možnosti on – line vývojového nástroje Analog Photodiode Wizard, který je v rámci podpory výrobce, společnosti Analog Devices, volně k dispozici přímo na stránkách http://www.analog.com/designtools/en/photodiode/. Zároveň jsme si rozebrali několik teoretických poznámek, které mají ve spojení s nástrojem potenciál stát se spíše praktickými návody, ostatně jako celá nápověda, která zde tvoří stěžejní část a ze které bylo rovněž čerpáno. Na výsledné hodnocení je vzhledem k beta verzi řešení ještě brzy, každopádně o přínosu pochybovat zřejmě nebudeme. Celek je vystavěn jednoduše a s přehlednými výsledky, které si dále snadno a rychle optimalizujeme. Ostatně, proč si vlastní názor neučinit sami!