OPT101单片光电二极管和单电源互阻放大器使用说明
一、特性
1.單電源供電：+2.7?to?+36V
2.光電二極管尺寸：0.09inch×0.09inch（2.29mm×2.29mm）
（適合做電光源分布范圍測定）
3.片內放大器反饋電阻：RF?=?1M?
4.光敏二極管響應：0.45A/W?(650nm)
5.響應帶寬：14kHz（RF?=?1M?）
6.極低的靜態電流：120μA
7.封裝模式：8-DPI，5SIP和8引腳表面貼焊封裝
二、應用
1.醫學儀器
2.實驗室器械
3.位置和接近傳感器
4.光學分析儀
5.條碼掃描儀
6.煙霧探測器
三、說明
OPT101是一種單片光電二極管，具有片上功能跨阻放大器。光電二極管與跨阻放大器的集成電路芯片解決了在離散設計中遇到的一些常見問題，如泄漏電流誤差、噪聲拾取和增益峰值雜散電容的結果。輸出電壓隨光強線性增加。設計了放大器用于單電源或雙電源操作。
0.09英寸×0.09英寸（2.29毫米×2.29毫米）光電二極管在光電導模式下工作，具有良好的線性度和較低的暗電流。
OPT101從2.7 V到36 V電源工作靜態電流僅為120μA，提供透明塑料8針PDIP封裝和SOP用于表面安裝。溫度范圍為0°C至70°C。
內部結構示意圖：
上圖為OPT內部框圖，其中4管腳的1MΩ的反饋電阻是存在于芯片內部的，外圍無需加入。芯片內部的1MΩ與3pF組成的反饋網絡，將引腳4、5連接即可構成基本應用電路。
OPT101光譜響應曲線：
(在可見光范圍具有較好的線性特性)
四、手冊修訂歷史
（略）
五、引腳說明
OPT101引腳示意圖：
其中芯片中央的虛線框（1）是光電二極管的位置。
引腳功能
| 1 | Vs | Power | 傳感器電源引腳，相對于–V引腳施加2.7 V至36 V電壓 |
| 2 | -In | Input | 運算放大器的負輸入和光電二極管的陰極。要么不連接，要么應用到片外額外的運算放大器反饋 |
| 3 | -V | Power | 接地 或 連接到符合推薦工作條件的負電壓 |
| 4 | 1 MΩ Feedback | Input | 連接到內部反饋網絡，通常與輸出端引腳5相連 |
| 5 | Output | Output | 傳感器電壓信號輸出 |
| 6 | NC | — | 空引腳，無定義 |
| 7 | NC | — | 空引腳，無定義 |
| 8 | Common | Input | 光電二極管的陽極，通常直接接地 |
六、傳感器參數
6.1極限條件
| 電源電壓（Vs至公共引腳或–V引腳） | 0 | 36 | V |
| 工作溫度 | -25 | 85 | ℃ |
| 存儲溫度 | -25 | 85 | ℃ |
將設備置于超過絕對最大額定值的環境可能會對設備造成永久性損壞，長時間暴露在絕對最大額定條件下可能會影響設備的可靠性。
6.2抗靜電能力
6.3推薦工作條件
工作電壓：2.7-36V
工作溫度：0-70℃
6.4熱性能信息
6.5 電氣特性
以下數據在工作溫度T=25°C時，VS=2.7 V至36 V，λ=650 nm，使用內部1 MΩ反饋電阻，RL=10 kΩ 條件下測量得出
接上圖
6.6光電二極管電氣特性
6.7 運放電氣特性
6.8典型特性概覽（具體意義請參考第8節）
圖1 歸一化光譜響應曲線圖
圖2 電壓響應度與輻射功率關系曲線圖
圖3 電壓響應度與輻照度關系曲線圖
圖4 電壓響應率與頻率關系曲線圖
圖5 響應與入射角關系曲線圖
圖6 暗輸出電壓與溫度關系曲線圖
圖7 靜態電流與溫度關系曲線圖
圖8 靜態電流 vs（VOUT–VPIN3）
圖9 短路電流 vs VS
圖10 （IBIAS–IDARK）與溫度關系曲線圖
圖11 輸出噪聲電壓與測量帶寬關系曲線圖
圖12 噪聲有效功率與測量帶寬關系曲線圖
圖13 小信號響應曲線圖
圖14 大信號響應曲線圖
圖15 C(LOAD)=10pF, Pin 3=0V時，小信號響應曲線圖
圖16 C(LOAD)=10pF,Pin 3=-15V時，小信號響應曲線圖
七、參數測量信息
7.1 光源定位和均勻性
OPT101的測試光源均勻地照亮集成電路的整個區域，包括運算放大器。雖然集成電路（IC）放大器的硅在某種程度上對光敏感，但OPT101運算放大器電路的設計是為了盡量減少這種影響。敏感結用金屬屏蔽，光電二極管的面積遠大于運放輸入電路面積。
如果光源聚焦到一個小的區域，確保它正確對準落在光電二極管上。與均勻照亮芯片整個區域的光源相比，僅落在光電二極管上的窄聚焦光束具有更加穩定的建立時間。
如果一個窄聚焦光源錯過了光電二極管區域，并且只落在運算放大器電路上，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）光電二極管區域，窄聚焦光源可以輕松定位到光電二極管區域。OPT101傳感器的光電二極管區域很容易看到，因為與周圍的有源電路相比，該區域顯得非常暗。
光源的入射角也會影響均勻輻照度下的視靈敏度。 對于較小的入射角，靈敏度損失僅僅是由于光電二極管的有效集光面積較小（與角度的余弦成正比）。在較大的入射角下，光被封裝衍射和散射。這些效果如圖5所示。
八、詳細說明
8.1 綜述
OPT101是一種大面積光電二極管，集成了優化的運算放大器，使OPT101成為一種小型、易于使用的光電壓轉換設備。
光電二極管有一個非常大的測量面積，收集了大量的光，因此可以進行高靈敏度的測量。
光電二極管具有較寬的光譜響應，在紅外光譜中有一個最大峰值，可用范圍從300 nm到1100 nm。2.7 V至36 V的寬電源范圍使該設備適用于各種架構；從全模擬電路到數據轉換基礎電路。
芯片上的電壓源保持放大器在一個良好的工作區域，即使在低光水平。OPT101電壓輸出是光電二極管電流乘以反饋電阻（IDRF）加上為單電源操作引入的大約7.5 mV的基座電壓VB的乘積。 無光照射情況下，輸出是7.5mV，輸出電壓大小隨照明度的增加而增加。
光電二極管電流，I(D)，與落在光電二極管上的輻射功率或通量（瓦特）成正比。在650 nm（可見紅色）波長處，光電二極管的響應率RI約為0.45 a/W。其他波長處的響應率如圖1所示。
內部反饋電阻被激光修整為1 MΩ。使用該電阻器，在650nm波長處的輸出電壓響應率Rv約為0.45v/μW。如圖2所示，在以微瓦為單位的輻射功率范圍內的響應。圖3顯示了在以瓦特每平方米為單位的輻照度范圍內的響應。
8.2 原理框圖
8.3 特性說明
8.3.1 傳感器的暗屬性
電氣特性表中的暗誤差包括了所有的來源。暗輸出電壓的主要來源是施加在運放非反相輸入端的基座電壓。引入這個電壓是為了在光不落在光電二極管上的情況下提供線性工作。
光電二極管的暗電流約為2.5 pA，在室溫下幾乎不產生偏置誤差。運放求和結(負輸入)的偏置電流約為165pa。暗電流從放大器偏置電流中減去，剩余電流通過反饋電阻產生偏置。溫度對這個差電流的影響見圖10。
圖17所示的可選電路將暗輸出電壓微調為零。使用低阻抗偏置驅動器(運放)來驅動引腳8(通用)，因為這個節點有依賴于信號的電流。
8.3.2 反饋網絡和動態響應
OPT101具有最佳動態響應的反饋網絡。OPT101的動態響應由反饋網絡和運放組合控制。使用內部1 MΩ電阻器，光電二極管和運算放大器組合的動態響應可以建模為一個簡單的RC電路，截止頻率為–3 dB，約為14 kHz。R和C值分別為1 MΩ和11 pF。
為了提高頻率響應，使用寄生電容小于3-pF的外部電阻器。圖19所示配置中使用的外部1 MΩ電阻器產生23 kHz帶寬，具有相同的106 V/a直流跨阻增益。這種增加的帶寬產生大約15μs（10%到90%）的上升時間。
圖19 僅使用外部電阻器改變響應度（禁用內部電阻器）
動態響應不受運放轉換率的限制，如圖13和圖14所示，顯示了幾乎相同的大信號和小信號響應。
動態響應隨反饋網絡值的變化而變化，如圖4所示。上升時間（10%至90%）隨反饋網絡值產生的–3dB帶寬而變化，
如等式1所示：t( r )=0.35 / f( C )，其中t ?是上升時間（10%至90%）,f( C )是–3dB帶寬。
8.3.2.1 變化響應度
要設置不同的電壓響應度，請連接外部電阻器R(EXT)。為了增加響應度，將該電阻器與內部1 MΩ電阻器串聯（圖18），或通過不連接引腳4（圖19）將內部電阻器更換為外部電阻器。當使用小于1兆歐的外部電阻器時，第二種配置還將電路增益降低到106伏/安以下。
圖18 通過外部電阻與內部電阻串聯來改變響應率
圖19 僅使用外部電阻器改變響應度（禁用內部電阻器）
使用明顯大于內部1兆歐電阻器的反饋電阻器的應用需要特別考慮。 在較高的溫度下，運算放大器的輸入偏置電流和光電二極管的暗電流顯著增加。這種增加加上更高的增益（RF>1 MΩ）會導致運算放大器輸出在高溫下被驅動到地。如果出現此問題，請使用施加到引腳8的正偏壓，以確保當光電二極管不暴露于光時，運算放大器輸出保持在線性工作區域。或者，使用雙電源。
當感應到黑暗條件時，輸出可能為負。使用黑暗性能部分和圖10中討論的信息來分析所需的配置。
8.3.3 噪聲
OPT101的噪聲性能由運放特性、反饋網絡、光電二極管電容和信號電平決定。
圖11顯示了當輸出電壓減去引腳3上的電壓（–V）大于約50 mV時，噪聲如何隨射頻和測量帶寬（0.1 Hz到指定頻率）而變化。
低于此電平時，輸出級斷電，有效帶寬降低。這種降低的帶寬將噪聲降低到大約300μVrms或100μVrms標稱噪聲值的1/3。這種降低的帶寬使得低電平信號能夠被解析。
為了降低噪聲和提高信噪比，用與信號帶寬相等的截止頻率對輸出進行濾波。此外，輸出噪聲與反饋電阻的平方根成正比增加，而響應度隨反饋電阻線性增加。為了提高信噪比性能，使用較大的反饋電阻，如果降低帶寬是可以接受的應用。
光電探測器的噪聲性能有時以噪聲有效功率（NEP）為特征，NEP是產生等于噪聲級的輸出信號的輻射功率。NEP以輻射功率（瓦特）或W/√Hz為單位來傳遞噪聲的光譜信息。圖12說明了OPT101的NEP。
8.3.4線性性能
光電二極管是在光電導模式下工作的，所以光電二極管的電流輸出在很寬的范圍內與輻射功率非常線性。
當光電二極管電流小于100μA時，非線性保持在約0.05%以下。光電二極管能夠在高輻射功率下產生1mA或更大的輸出電流，但在該區域非線性增加到百分之幾。在高輻射功率下的這種非常線性的性能假設整個光電二極管區域被均勻地照明。如果光源聚焦到光電二極管的一個小區域，則在較低的輻射功率下會出現非線性。
8.3.5電容負載驅動
OPT101能夠驅動10nF的負載電容而不失穩。然而，通過對引腳3施加負偏壓（圖20所示為-V），電容性負載的動態性能可能會得到改善。負電源電壓允許輸出負響應于電容性負載的無功效應。連接在引腳5（輸出）和引腳3（–V）之間的內部JFET允許輸出吸收電流。當驅動一些需要信號源將電流吸收到大約100μA的模數轉換器的電容輸入時，這種電流吸收能力也很有用。這種電流吸收的優點如圖15和圖16所示。這些圖比較了針腳3（–V）接地并連接到–15 V時的工作情況
由于該輸出級電流接收器的結構，當引腳3（–V）和輸出之間有電壓時，工作電流會略有增加。根據電壓的大小，靜態電流增加約100μA，如圖8所示。
8.4 設備功能模式
OPT101具有單一功能模式，當電源電壓大于2.7 V時可以工作。OPT101的最大電源電壓為36 V。
九、應用與實現
9.1 應用程序信息
圖21顯示了OPT101的基本電路連接，OPT101使用單電源工作，并使用內部1 MΩ反饋電阻器，在650 nm下的響應為0.45 V/μW。在這種配置中，引腳3（–V）與公共線相連。使用高阻抗電源的應用可能需要靠近設備引腳的去耦電容器。
9.2 幾種典型應用
9.2.1 彩色反射波長測試儀
OPT101的一個常見應用程序是測試物理材料。通過確定特定波長下的光學反射、透射或吸收特性，可以獲得關于測試材料的信息。這些測試材料可以是固體，生物或化學液體，或任何其他類型的材料。
作為一個直觀的例子，這個用于OPT101的應用程序測試各種測試材料的紅色、綠色和藍色反射色屬性。這個應用程序并不是為了與國際玻璃委員會(CIE)定義的顏色標準相匹配，而是為了說明一種特定于光波長的測試技術。不同的應用程序可以測試不同的波長，包括不可見的紫外線或紅外波長，這是適合于該應用程序的目標。
9.2.1.1設計要求
對于這個設計示例，使用表3中列出的參數作為輸入設計需求參數。
9.2.1.2詳細設計程序
該設計用特定波長照亮測試材料，并測量反射結果。選擇一個RGB LED，按順序產生單獨的紅、綠、藍波長。
紅色物質對紅色波長的反射很強，綠色和藍色波長的反射較弱。綠色和藍色材料遵循類似的模式，反射各自的基色波長比其他顏色波長強。
設計一個允許RGB LED照亮測試材料并允許OPT101接收反射的夾具，如圖22所示。將室內設計成不讓環境光線進入室內。在室內鋪上啞光黑箔，這樣室內的墻壁就能吸收盡可能多的光線。
啞光的黑色箔幫助OPT101傳感器測量主要來自測試材料的反射，而只有最低限度來自測試室壁的反射。在RGB LED和OPT101傳感器之間設計一個擋板結構，這樣光線就不會直接從RGB LED傳輸到OPT101傳感器，而不會被測試材料反射。
在房間上方放置一個額外的外殼，以加強與房間內任何光線的隔離。用5v電源驅動OPT101電源引腳VS，用電壓表測量輸出引腳電壓。這個電壓表可以很容易地用ADC替換。為每個RGB LED選擇LED驅動電流。
在整個過程中，要么驅動每個LED與這個特定的選擇電流，或不驅動LED。選擇一個能使功耗相等的LED驅動電流(驅動電流乘以每個LED上的正偏壓降)。
當在兩個led之間切換時，等量的功率損耗使熱瞬態穩定時間最小化。如果測試速度和穩定時間對應用程序來說不是問題，則不需要等功率損耗。通過測量作為測試材料的標準白卡來校準夾具。
驅動紅色LED，并記錄OPT101產生的電壓。對綠色和藍色led重復此步驟。接下來，用與白色卡片相同的程序測量一種測試材料。通過將測試材料的結果除以每個LED的白卡結果，使結果標準化。
通過選擇三個LED歸一化測量值中最大的值來確定對象的顏色。通過將三個LED測量值除以三個測量值中的最大值，執行一個額外的標準化步驟以提高數據的清晰度。
9.2.1.3應用曲線
下圖是測試材料的顏色排序，與預期一致。紅色測試材料對紅色LED的反射均強于綠色和藍色LED。結果被劃分為四組:紅色(圖23，藍色(圖24)，綠色(圖25)和中性色(圖26)。應用程序清楚地識別出每種測試材料的原色。當顏色是中性時，紅色、綠色和藍色的測試結果非常相似，正如預期的那樣(相差10%以內)。
紅色的結果對比最大。綠色的結果對比最小。這些結果可能是不同的，因為紅色LED與綠色和藍色LED的光譜重疊最少。綠色LED有最寬的光譜含量。如果需要更多的對比度，可以嘗試光譜更窄的led(或其他光源)。
9.2.2三線制遠傳測光
使用圖27右側所示的到OPT101的連接，使用三線光測量電路來感知遠程位置。
9.2.3差分光測量
對于感知光梯度或差分光的應用程序，可以使用類似于圖28的配置。
9.2.4 LED輸出調節電路
為了讓一個LED(或其他燈)在溫度變化和LED壽命效率下降的情況下產生恒定的光量，使用類似于圖29的電路。當LED的效率降低時，該電路增加LED的驅動電流，使輸出保持在適當的恒定水平。
9.3注意事項
與任何光學產品一樣，在操作OPT101時必須特別小心。雖然OPT101對灰塵和劃痕的敏感性較低，但仍然建議采用適當的光學設備處理方法。
該設備的光學表面必須保持清潔，以獲得最佳性能的原型與設備和大規模生產制造程序。建議使用塑料或橡膠接觸面的鑷子，避免劃傷光學表面。盡可能避免使用金屬工具操作。
光學表面應清除指紋、灰塵和其他阻光污染物。如果設備光學表面需要清潔，請使用去離子水或異丙醇。用軟拭子刷刷是合適的。避免潛在的研磨清洗和操作工具和過度的力量，可能劃傷光學表面。如果OPT101性能不佳，請檢查光學表面是否有污垢、劃痕或其他光學偽影。落在運放電路區域的任何光線必須是均勻的;有關光均勻性的更多信息，請參閱參數測量信息部分。
十、電源建議
OPT101設計用于在2.7 V和36 V之間的輸入電壓范圍內工作。為確保電源輸入調節良好，在VS（引腳1）和–V（引腳3）之間放置一個0.01-μF到0.1-μF的低阻抗短連接旁路電容器。
如果–V（針腳3）未連接到公共線（針腳8），則在VS（針腳1）和公共線（針腳8）之間放置一個額外的旁路電容器。
其他
其他部分請參考原文檔：https://leoeinstein.lanzous.com/iRNAllbaxdi
也可以參考這兩個文檔：
文檔1：OPT101光電傳感器的使用
文檔2：OPT101型光電傳感器的技術性能與應用
總結
以上是生活随笔為你收集整理的OPT101单片光电二极管和单电源互阻放大器使用说明的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
- 上一篇： 自定义炫酷powershell
- 下一篇： Java数据类型（八种基本数据类型 +