Design und Simulation einer Fotodiodenschaltung für Ihre Leiterplatte

Zachariah Peterson
|  Erstellt: October 10, 2021

Ihre Design-Tools sollten es Ihnen einfach machen, Schaltpläne zu erstellen, das elektrische Verhalten zu simulieren und ein neues PCB-Layout zu beginnen. Eine Fotodiodenschaltung spielt in vielen Anwendungen eine wichtige Rolle, von der einfachen ON/OFF-Lichterkennung bis zum Empfang digitaler Daten in einer optischen Faser. Diese Halbleiterbauelemente ähneln einer normalen Diode, sind aber ohne die richtigen Bauteilmodelle und Schaltungsdesign-Tools schwer zu simulieren.

Mit Altium Designer müssen Sie keine separaten Anwendungen verwenden, um Ihre Fotodiodenschaltungen zu erstellen, Simulationen durchzuführen und Ihr PCB-Layout vorzubereiten. All dies geschieht innerhalb derselben Anwendung, so dass Sie effizient arbeiten können. Wenn Sie noch nie eine Fotodiodenschaltung entworfen haben und die richtigen Tools hierfür benötigen, erfahren Sie in diesem Artikel, wie Altium Designer Ihnen helfen kann.

ALTIUM DESIGNER®

Die branchenweit einzige Design-Anwendung, mit der Sie Ihre PCB-Projektdaten und Design-Bibliotheken mit einem vollständigen PCB-Datenmanagement-Toolset individuell anpassen können.

Fotodioden sind ein einfaches, aber wichtiges Schaltungselement in opto-elektronischen Systemen. Diese Designs wandeln Licht in ein elektrisches Signal um, und zwar für ganz unterschiedliche Anwendungen. Ideale Anwendungen reichen von einfachen DC-Lichtdetektoren mit Schwellwertüberwachung (ON-OFF-Erkennung) bis hin zu Pulsdetektorschaltungen für Lidar-Systeme. Unabhängig davon, wie Sie eine Fotodiode einsetzen möchten: Bevor Sie Ihr PCB-Layout erstellen, müssen Sie eine Fotodiodenschaltung entwerfen und simulieren.

Design einer Fotodiodenschaltung

Eine Fotodiode ist eine einfache lichtempfindliche Diode, die Licht in Strom umwandelt. Eine Fotodiode kann auch in einer Schaltung mit Sperrvorspannung platziert werden, so dass sie eine kleine Menge Strom erzeugt, wenn sie nicht beleuchtet wird. Das Ziel bei der Verwendung einer Fotodiodenschaltung ist es, den von der Fotodiode erzeugten Sperrstrom zu sammeln und zu verstärken, sobald sie beleuchtet wird. Der Ausgangsstrom ist hierbei eine lineare Funktion der optischen Eingangsleistung:

Schaltungsgleichung der Fotodiode

In einer Fotodiode erzeugter Strom.

Aus der obigen Gleichung geht hervor, dass der Ausgangsstrom bei niedriger Sperrvorspannung relativ linear skaliert. Beim Entwurf einer Fotodiodenschaltung besteht das Ziel darin, den Strom zu sammeln und ihn mit einem Verstärker in einen Nutzsignalpegel umzuwandeln. Die Verstärkung in der Verstärkerstufe muss an den ADC-Eingang angepasst werden, aber auch groß genug sein, um den Fotodiodenausgang ausreichend zu verstärken. Darüber hinaus sollte die Verstärkung in der Fotodiodenschaltung nicht so groß sein, dass die Schaltung gesättigt wird.

Fotodioden in Altium Designer suchen und auswählen

Bei der Auswahl einer Fotodiode gibt es viele wichtige Parameter zu berücksichtigen. Dazu gehören:

  • Reaktionsspektrum und Empfindlichkeit
  • Temperaturkoeffizient
  • Sättigungsstrom bei Sperrvorspannung
  • Ob eine Avalanche-Fotodiode verwendet werden soll
  • Störeffekte (Kapazität und Shunt-Widerstand)

Für den Aufbau einer Fotodiodenschaltung müssen Sie die richtigen Teile finden, einschließlich Bauteilmodelle und SPICE-Simulationen für Ihre Schaltung und Bauteile. Wenn Sie eine Simulation einer Fotodiodenschaltung erstellen, müssen all diese Aspekte im Simulationsmodell enthalten sein, um sicherzustellen, dass das elektrische Verhalten der Schaltung genau beschrieben werden kann. Für die Simulation, den Schaltplanentwurf und das PCB-Layout benötigen Sie Beschaffungstools, die sich in Ihre Bauteilbibliotheken integrieren lassen.

Altium Designer ist über das Panel "Manufacturer Part Search" in die Elektronik-Lieferkette integriert, so dass Sie einen vollständigen Einblick in die Elektronik-Lieferkette erhalten. Designer können die passende Fotodiode auswählen, Beschaffungsdaten und Preise einsehen und Bauteile mit verifizierten Footprints erkennen.

Fotodiodenschaltung

Finden Sie mit dem Panel "Manufacturer Part Search" in Altium Designer die richtigen Bauteile für Ihre Fotodiodenschaltung.

Simulation von Fotodiodenschaltungen

Bei der Simulation von Fotodiodenschaltungen werden einige der folgenden elektrischen Verhaltensweisen untersucht:

  • Einschwingverhalten auf Eingangslichtimpulse oder Dauerlicht
  • Verwendung einer Lastleitung zur Bestimmung des photoleitenden vs. photovoltaischen Modus
  • Bestimmen der Empfindlichkeit
  • Bestimmung von Änderungen des elektrischen Verhaltens gegenüber Temperaturänderungen
  • Auslegen des richtigen Verstärkungspegels in der Verstärkerstufe

Einige dieser Aspekte erfordern die Verwendung eines genauen Bauteilmodells für eine Fotodiode. Andere erfordern die Verwendung von Simulationsquellen zur Modellierung des Eingangslichts und der Auswirkungen der Schaltungsplatzierung in Sperrspannung. SPICE-Simulatoren können verwendet werden, solange die von Ihnen ausgewählten Bauteile genaue SPICE-Teilschaltungen für Mixed-Signal-Simulationen enthalten.

Genaue Simulationen in Altium Designer erstellen

Die generischen Bauteile in Altium Designer und die "Simulation Sources"-Bibliothek können neben den vom Hersteller bereitgestellten Simulationsmodellen und benutzerdefinierten SPICE-Teilschaltungen verwendet werden. Für eine Fotodiodenschaltung wird ein Simulationsmodell mit einer vorgespannten Fotodiode und einer Stromquelle verwendet, um eine beleuchtete Fotodiode zu simulieren. Mit den Bauteile-Tools und dem Schaltplaneditor von Altium Designer können Sie ganz einfach Simulationen für Ihre Fotodiodenschaltung erstellen.

Das MixedSim-Tool in Altium Designer wurde entwickelt, um Simulationen auf Logikebene, analoge Simulationen und DC-Simulationen zu ermöglichen. Designer können Modelle für ihre Fotodiodenschaltungen mit handelsüblichen Bauteilen und generischen Bauteilen erstellen. Sie können auch alle Standard-Simulationsaufgaben durchführen, die man in einem SPICE-Paket findet, jedoch in einer benutzerfreundlichen Oberfläche mit intuitiven Visualisierungen. Das Beste daran ist, dass diese Simulationstools in derselben Anwendung wie der Schaltplaneditor und die Tools zur Bauteilauswahl verfügbar sind.

  • Die Simulation Ihrer Fotodiodenschaltung beginnt mit dem richtigen SPICE-Paket. Altium Designer enthält neben den Standard-ECAD-Tools einen proprietären SPICE-Solver.
  • Die Schaltungsdesign- und PCB-Layout-Funktionen von Altium Designer sind ideal für die Erstellung einer Verstärkerstufe zur Unterstützung Ihrer Fotodiodenschaltung.
  • Der Schaltplaneditor von Altium Designer ermöglicht hierarchisches Design, so dass mehrere Schaltungsblöcke zu einem größeren System kaskadiert werden können. Sie können Ihre Schaltpläne in Altium Designer ganz einfach organisieren.

    Erfahren Sie mehr über das Organisieren Ihrer Schaltpläne in Altium Designer.

Simulationsmodells für eine Fotodiodenschaltung

Aufbau eines Simulationsmodells für eine Fotodiodenschaltung.

Schematischer Entwurf, Simulation und Layout in einer Anwendung

Mit den Schaltungsdesign- und Simulationsfunktionen in Altium Designer verfügen Sie über ein vollständiges Toolset zum Erstellen und Simulieren von Fotodiodenschaltungen. Sie können aber noch viel mehr tun, als Simulationen durchzuführen und Lastleitungen zu bestimmen. Die vereinheitlichte, regelbasierte Design-Engine von Altium Designer stellt sicher, dass all Ihre Design-Tools in ein einziges Programm integriert sind und mit denselben Designregeln arbeiten. Darüber hinaus können Sie mit den Tools zur Bauteilverwaltung die Simulationsmodelle zuweisen, die Sie für Ihre Bauteile benötigen, um Ihre Fotodiodenschaltungen richtig zu simulieren.

Altium Designer und Altium 365 vereinheitlichen das PCB-Design und -Management

Mit der Altium 365-Plattform können Designer ihre Altium PCB-Projekte in einer sicheren Cloud-Plattform mit anderen Mitarbeitern teilen. Wenn Ihr Team die Altium 365-Plattform nutzt, können alle Mitarbeiter ganz einfach auf Leiterplatten-Designprojekte innerhalb von Altium Designer zugreifen und effizient zusammenarbeiten. Es war noch nie so einfach, Schaltpläne, Bauteile, Simulationsmodelle, PCB-Layout-Dateien und Fertigungspakete gemeinsam zu nutzen.

Fotodiodenschaltung PCB-Layout

Das komplette PCB-Design-Toolset von Altium Designer hilft Ihnen bei der Erstellung von Schaltplänen und PCB-Layouts für Fotodioden.

Altium Designer ist die einzige vereinheitlichte PCB-Designplattform für das Design und die Simulation von Schaltungen jeglicher Komplexität sowie für die Erstellung hochwertiger PCB-Layouts mit einem leistungsstarken CAD-Toolset. Mit der Altium 365-Plattform kann Ihr Team mit maximaler Effizienz in der integrierten Umgebung von Altium Designer arbeiten. Wechseln Sie noch heute zu Altium Designer und erhalten Sie Zugang zu den besten PCB-Design-Tools und Datenmanagement-Funktionen der Branche.

Altium Designer auf Altium 365 bietet eine beispiellose Integration für die Elektronikindustrie, die bisher der Welt der Softwareentwicklung vorenthalten war, und ermöglicht es den Designern, von zu Hause aus zu arbeiten und ein noch nie dagewesenes Maß an Effizienz zu erreichen.

Wir haben nur an der Oberfläche dessen gekratzt, was man mit Altium Designer auf Altium 365 machen kann. Lesen Sie auf der Produktseite eine ausführliche Beschreibung der Funktionen oder nehmen Sie an eine der On-Demand Webinare teil.

Über den Autor / über die Autorin

Über den Autor / über die Autorin

Zachariah Peterson verfügt über einen umfassenden technischen Hintergrund in Wissenschaft und Industrie. Vor seiner Tätigkeit in der Leiterplattenindustrie unterrichtete er an der Portland State University. Er leitete seinen Physik M.S. Forschung zu chemisorptiven Gassensoren und sein Ph.D. Forschung zu Theorie und Stabilität von Zufallslasern. Sein Hintergrund in der wissenschaftlichen Forschung umfasst Themen wie Nanopartikellaser, elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente, Umweltsysteme und Finanzanalysen. Seine Arbeiten wurden in mehreren Fachzeitschriften und Konferenzberichten veröffentlicht und er hat Hunderte von technischen Blogs zum Thema PCB-Design für eine Reihe von Unternehmen verfasst. Zachariah arbeitet mit anderen Unternehmen der Leiterplattenindustrie zusammen und bietet Design- und Forschungsdienstleistungen an. Er ist Mitglied der IEEE Photonics Society und der American Physical Society.

neueste Artikel

Zur Startseite