Si光電二極管選型難題？一文搞定從原理到電路的全鏈路指南

  ICC訊 用Si光電二極管測量光信號時，你是否曾為這些問題困擾：

  信號微弱到被噪聲淹沒，怎么辦？

  想要高速響應(yīng)，帶寬卻總是上不去？同樣的電路，換了個PD結(jié)果性能天差地別？

  這些讓工程師頭疼的問題，往往在于第一步：選型。濱松硅光電二極管（SiPD）作為探測領(lǐng)域的“基本功”，其正確選擇與應(yīng)用是項目成敗的關(guān)鍵。本文將從原理出發(fā)，通過四步型法和三種電路方案，為您提供一份條理清晰的SiPD實戰(zhàn)指南。

  圖1 為部分濱松硅光電二極管產(chǎn)品，涵蓋多種封裝形式（如金屬、陶瓷、表面貼裝等），以滿足從實驗室研發(fā)到工業(yè)化量產(chǎn)的不同場景需求，以其高可靠性、高靈敏度著稱。

  工作原理：PN結(jié)如何將光轉(zhuǎn)化為電信號？

  光電二極管是一種光電傳感器，當(dāng)半導(dǎo)體中的PN結(jié)受到光照射時，會產(chǎn)生光電流或光電壓。通常用光電流來表征光強，光電流從陽極流出，大小和光強成正比。

  好了，我們已經(jīng)掌握了核心原理：PN結(jié)能將光能轉(zhuǎn)化為電流，且光強與電流成正比。

  那么，一個很自然的問題就出現(xiàn)了：如何將這一原理，應(yīng)用到千差萬別的實際項目中？

  答案就在于：精準(zhǔn)的匹配。

  選型的本質(zhì)，就是將您需要探測的 “光信號特性”，與SiPD的 “性能參數(shù)” 進行最佳匹配。

  接下來，我們將通過一套清晰的 “四步選型法”，一步步引導(dǎo)您完成這場匹配。

  首先，我們從第一步開始：明確您的光信號特征。

  第一步：初篩——明確您的光信號四大特征

  面對上百款SiPD，別慌！首先回答這四個關(guān)于光源的核心問題，就能快速縮小范圍：

  光譜范圍：您的光波長在什么范圍？SiPD覆蓋190-1100 nm?！?gt;1100 nm？ 請考慮InGaAs、InAsSb等紅外探測器。

  光強水平：信號是強是弱？SiPD適用于pW至10mW?！绻庑盘栞^弱，需選擇APD，MPPC，PMT等靈敏度高的探測器。

  時間特性：Si PD分兩種類型，PN型和PIN型。信號頻率高嗎？→<1mhz選pn型；→>1MHz 選PIN型。

  空間信息：需要分辨光斑形狀嗎？→需要？請考慮PD陣列或圖像傳感器。Si PD單次測量無法識別光斑大小，形狀。

  第二步：優(yōu)化——根據(jù)核心需求做權(quán)衡

  完成初篩后，可通過以下幾點進行精準(zhǔn)優(yōu)化：

  權(quán)衡一：如何選擇"受光面積"？

  情況A：您的首要目標(biāo)是追求更高的信噪比、更寬的帶寬或更低的成本？

  核心考量： 在能完整覆蓋光斑的前提下，更小的受光面積通常意味著更低的暗電流、更低的噪聲、更高的帶寬和更低的成本。

  決策建議：優(yōu)先選擇能滿足光斑尺寸的最小面積型號。

  情況B：您的信號非常微弱，或者光斑較大，確保接收到足夠的光信號是第一位？

  核心考量： 需要足夠大的面積來捕獲光子，保證信號強度。

  決策建議：選擇能夠充分覆蓋光斑的受光面積。

  核心原則： 受光面積 “夠用就好”，并非越大越優(yōu)。

  權(quán)衡二：如何選擇"光譜類型"？—— 根據(jù)信號波長與背景光干擾決定

  決策目標(biāo)： 您的信號波長和背景環(huán)境是怎樣的？

  標(biāo)準(zhǔn)場景（信號波長在190-1100 nm內(nèi)，無特殊干擾）： 選擇常規(guī)型即可。

  需要抑制紅外背景光（如存在白熾燈等熱光源干擾）： 選擇紅外抑制型（190-1000 nm），有效提升信噪比。

  用于紫外波段，或環(huán)境苛刻需高可靠性： 選擇紫外型（無樹脂粘接，抗紫外老化能力更強）。

  權(quán)衡三：如何選擇"結(jié)構(gòu)類型"？—— 基于“精度”與“速度”的優(yōu)先級

  決策目標(biāo)： 在您的應(yīng)用中，更看重測量精度還是響應(yīng)速度？

  更關(guān)注弱光測量精度，要求極限噪聲較低：

  決策建議：選擇硅光電二極管（Si PD）。

  更關(guān)注高速響應(yīng)特性，需要更高的工作帶寬：

  決策建議：選擇硅PIN光電二極管（Si PIN PD）。

  第三步：確認(rèn)——根據(jù)應(yīng)用環(huán)境選擇封裝材料

  在確定了核心參數(shù)（面積、光譜、結(jié)構(gòu)）后，最后關(guān)鍵一步是根據(jù)您的應(yīng)用環(huán)境與可靠性要求，選擇合適的封裝材料。封裝材料直接影響器件的機械強度、散熱性、環(huán)境適應(yīng)性和成本。

  帶BNC連接頭：通過BNC連接線可即插即用，便于與放大器、電流計等測量儀器直接相連，非常適合實驗室研發(fā)和需要頻繁連接的測試場景。

  表面貼裝型：結(jié)構(gòu)簡單，可直接焊接于PCB電路板，適用于需要自動化批量生產(chǎn)的消費電子和工業(yè)產(chǎn)品，實現(xiàn)高集成度。

  耦合閃爍體：探測器已與閃爍體集成，專用于測量閃爍體產(chǎn)生的熒光，是進行X射線無損檢測等應(yīng)用的一站式解決方案。

  芯片尺寸封裝：封裝尺寸與芯片核心尺寸基本相同，能實現(xiàn)極高的空間密度，是追求極致小型化設(shè)備的理想選擇。

  此外，對于金屬封裝的硅光電二極管（通常為2pin腳），需特別注意：有的型號的外殼與陰極連接，有的與陽極連接。為實現(xiàn)最佳屏蔽效果，建議將外殼接地。具體表現(xiàn)為：若陽極接地，則陰極作為電流流入端；若陰極接地，則陽極作為電流流出端。務(wù)必注意光電流的這種方向性。

  第四步：實現(xiàn)——信號讀出方案與性能驗證

  器件選型完成后，下一步就是讓它“工作”起來，驗證其性能并實現(xiàn)穩(wěn)定的信號讀出。我們強烈建議您遵循以下路徑，高效完成這一步。

  路徑一：快速驗證（拿到器件后第一件事）

  收到Si PD后，可在室內(nèi)光照下用萬用表進行快速驗證：短路電流約為幾微安（μA），開路電壓約為零點幾伏（V）。這一步的目的是快速判斷器件是否完好、工作基本正常。

  具體方法可參考此鏈接：http://share.hamamatsu.com.cn/specialDetail/2045.html

  路徑二：應(yīng)用開發(fā)（集成到您的系統(tǒng)中）

       驗證器件完好后，接下來需要為它配置讀出電路，將其集成到您的系統(tǒng)里。您有兩種主流方案可選：

  1. 模塊化方案（推薦首選：大幅節(jié)省開發(fā)時間）

       為簡化開發(fā)，濱松提供了多種即用型模塊產(chǎn)品（如C10439系列模擬輸出模塊、C9329-01數(shù)字輸出模塊）。您可優(yōu)先評估這些方案是否能滿足需求，這是通往成功最快的路徑。

  2、自定義電路設(shè)計（滿足特定需求）

  若無合適模塊，則需自行設(shè)計讀出電路。主流方案有以下三種：

  通過電流表讀取電流?？梢酝ㄟ^將PD陰陽極焊接到同軸線上，再接入電流表。以陰極輸出電流為例。

  需要注意的是，僅用兩根導(dǎo)線或雙絞線焊接并接入測試設(shè)備中容易受到電磁干擾，使用同軸線則具有一定的屏蔽作用；想要進一步屏蔽干擾，還需添加金屬屏蔽外殼并接地，探測器僅露出光窗部分。

  通過跨阻放大電路(TIA)，將光電流直接轉(zhuǎn)換為電壓。

  設(shè)計資源： 我們推薦使用ADI的在線設(shè)計工具進行TIA電路設(shè)計，輸入探測器參數(shù)，入射光強，輸出電壓，目標(biāo)帶寬等信息，無需手動計算補償電容，可自動生成原理圖：https://tools.analog.com/cn/photodiode/。

  通過負(fù)載電阻+電壓放大：本質(zhì)是 “兩步級聯(lián)”，第一步通過負(fù)載電阻RL將輸入電流轉(zhuǎn)換為電壓（V1=Iin×RL），第二步通過電壓放大器（如同相 / 反相運放電路）對V1進行增益放大（Vout=V1×Av，Av為電壓放大倍數(shù)）。

  負(fù)載電阻RL影響帶寬，線性上限，以及噪聲，不宜過大，推薦50Ω。

  對于常規(guī)使用場景，兩種放大電路方案均可，對于特殊使用場景，兩種方案會有些差異：

  最后，關(guān)于PD是否需要反偏電壓工作，以及反偏電壓給多少的問題？實際上PD也可以不用反偏電壓工作，也建議在滿足需求的同時，盡量小。 Si PD可以工作在光伏模式和光導(dǎo)模式。

  理論結(jié)合實踐，方能融會貫通。濱松中國還可為您提供Si PD評估電路試用及深度的技術(shù)服務(wù)。我們的專業(yè)技術(shù)團隊致力于通過定制化的解決方案，快速協(xié)助您將產(chǎn)品集成到項目中，有效縮短開發(fā)周期。