Простая схема может улучшить динамические характеристики фототранзистора для использования в низко- и среднескоростных приложениях со скоростями до 100 кбит/с, таких как оптическая изоляция последовательной линии RS-232C (Рисунок 1). В недорогих приложениях, требующих высоковольтной изоляции, небольшого количества компонентов и низкого энергопотребления, можно использовать общедоступные компоненты, такие как ИК-светодиод SFH421 с ИК-фототранзистором SFH320. Номинальное время нарастания/спада светодиода равно 500 нс, что достаточно быстро, но время нарастания/спада фототранзистора при нагрузке 1 кОм составляет 5 мкс для самой быстрой версии и 8 мкс для самой медленной.
 |
|
| Рисунок 1. | С резистором 1 кОм простой фототранзистор (а) имеет время нарастания/спада 5-8 мкс. Операционный усилитель может уменьшить время отклика фототранзистора (б), но без дополнительной фазовой коррекции схема работает плохо. В качестве альтернативы можно использовать транзистор для изоляции емкости фототранзистора и поддержания стабильного уровня сигнала на фототранзисторе (в). |
Фототранзисторы обладают менее хорошими динамическими характеристиками, чем фотодиоды, поскольку, помимо процессов накопления и зарядки, фототранзисторы также имеют задержку, обусловленную механизмом усиления (эффектом Миллера). Для времени нарастания (TR) и спада (TF) фототранзистора справедливо следующее соотношение:
где
fT – граничная частота;
RLOAD – сопротивление нагрузки;
CCB – емкость коллектор-база;
V – коэффициент усиления;
b – константа, значение которой находится в диапазоне от 4 до 5.
Для RLOAD = 1 кОм, 4 < b < 5, 100 < V < 1000, CCB ≈ 2.5 пФ и fT ≈ 100 кГц это выражение дает 5 мкс < TR,F < 8 мкс.
График зависимости времени нарастания TR от сопротивления нагрузки RLOAD дает более практичный способ оценки максимальной скорости передачи данных в схеме на Рисунке 1а без использования дополнительных цепей коррекции (Рисунок 2). Для последовательного канала со скоростью 2400 бит/с и погрешностью длины бита менее 10% время нарастания оценивается в 42 мкс, что соответствует резистору сопротивлением 7.5 кОм.
 |
|
| Рисунок 2. | Соотношение между наихудшим временем нарастания и сопротивлением нагрузки для базовой схемы включения фототранзистора показывает, что при TR = 42 мкс RLOAD должно быть равно 7.5 кОм. |
Для уменьшения времени отклика можно использовать операционный усилитель, но без коррекции фазы результат будет плохим. В схеме на Рисунке 1б общее быстродействие ограничено внутренней емкостью фототранзистора и полосой пропускания усилителя. Чтобы компенсировать побочный эффект емкости CCB фототранзистора, параллельно резистору нужно подключить конденсатор небольшой емкости. Выбор правильной емкости корректирующего конденсатора – сложная задача, поскольку характеристика преобразователя тока в напряжение имеет два полюса. Кроме того, для обеспечения устойчивости фазовая коррекция и полоса пропускания должны рассматриваться совместно.
К счастью, есть другой способ максимально эффективного использования полосы пропускания фототранзистора. Можно изолировать внутреннюю емкость фототранзистора с помощью транзистора (Рисунок 1в). Транзистор, благодаря низкому выходному сопротивлению и большому произведению коэффициента усиления на ширину полосы пропускания, поддерживает напряжение сигнала на фототранзисторе на стабильном постоянном уровне. С этой задачей хорошо справляется универсальный BC847, и с фототранзистором SFH320 скорость передачи данных в схеме может достигать 153.6 кбит/с. Увеличить скорость выше этого значения невозможно, даже при использовании самого быстрого операционного усилителя, из-за фотоэлектрической задержки, обусловленной процессами зарядки и накопления.
Купить SFH 320 на РадиоЛоцман.Цены
