Progettare e simulare un circuito con fotodiodo per il tuo PCB

Zachariah Peterson
|  Creato: August 9, 2021
photodiode circuit

I tuoi strumenti di progettazione dovrebbero fornirti una soluzione semplice per creare schemi circuitali, simulare il comportamento elettrico e impostare un nuovo layout PCB. L'utilizzo dei circuiti con fotodiodo è importante in molti ambiti, dal semplice rilevamento della luce, alla ricezione di dati digitali nella fibra ottica. Questi dispositivi a semiconduttore sono simili a un normale diodo, ma possono essere difficili da simulare senza i modelli di componenti e gli strumenti di progettazione PCB adatti.

Con Altium Designer, non avrai bisogno di utilizzare applicazioni separate per creare i tuoi circuiti con fotodiodi, eseguire simulazioni e preparare il layout del tuo PCB. Tutto avverrà all'interno della stessa applicazione, ottimizzando la tua produttività. Se non hai mai progettato un circuito con fotodiodi e hai bisogno degli strumenti giusti per portare a termine il lavoro, ecco come Altium Designer può venirti incontro.

ALTIUM DESIGNER®

L'unico programma di progettazione del settore, capace di offrire la personalizzazione completa dei dati di progetto e delle librerie di progettazione con un pacchetto completo di strumenti di gestione dei dati PCB.

I fotodiodi sono un elemento circuitale semplice ma importante nei sistemi optoelettronici. Questi progetti devono convertire la luce in un segnale elettrico per una vasta gamma di impieghi. Questi vanno dai semplici rilevatori di luce CC con soglia di rilevamento ON-OFF, ai circuiti di rilevamento d'impulsi per sistemi lidar (Light Detection and Raging). Indipendentemente dall'utilizzo desiderato, dovrai progettare un circuito con fotodiodi e una sua simulazione prima di passare al layout PCB.

Progettare un circuito con fotodiodi

Un fotodiodo è un semplice dispositivo fotosensibile che converte la luce in elettricità. Un fotodiodo può anche essere posizionato in un circuito a polarizzazione inversa in modo da produrre una piccola quantità di corrente quando non è illuminato. Lo scopo di un circuito con fotodiodi è quello di raccogliere e amplificare la corrente di polarizzazione inversa prodotta dal fotodiodo una volta illuminato. La corrente in uscita sarà una funzione lineare della potenza ottica in entrata:

Photodiode circuit equation

Corrente prodotta in un fotodiodo.

Come si vede nella precedente equazione, la corrente in uscita ha un andamento relativamente lineare a bassa polarizzazione inversa. Quando si progetta un circuito con fotodiodi, l'obiettivo è di raccogliere la corrente e convertirla in un livello di segnale utile con un amplificatore. Il guadagno nello stadio di amplificazione deve essere abbinato all'ingresso dell'ADC, ma anche il guadagno deve essere sufficientemente consistente da amplificare a sufficienza l'uscita del fotodiodo. Infine, il guadagno nel circuito con fotodiodi non dovrebbe essere così elevato da saturare il circuito.

Trovare e Scegliere i Fotodiodi con Altium Designer

Quando si sceglie un fotodiodo, ci sono diversi parametri importanti da prendere in considerazione. Fra questi vi sono:

  • Lo spettro di reattività e sensibilità
  • Il coefficiente di temperatura
  • La corrente di saturazione della polarizzazione inversa
  • Se è necessario o meno utilizzare un fotodiodo a valanga
  • Gli effetti parassiti (capacità e resistenza allo shunt)

La costruzione di un circuito con fotodiodi richiede la scelta adeguata di tutto quanto, inclusi i modelli dei componenti e i circuiti di simulazione SPICE per il circuito e i componenti. Quando si costruisce una simulazione di un circuito a fotodiodi, ciascuno di questi aspetti deve essere incluso nel modello di simulazione per garantire una descrizione precisa del comportamento elettrico del circuito. Per la simulazione, la progettazione schematica e il layout PCB, avrai bisogno di strumenti di approvvigionamento che si integrino con le tue librerie dei componenti, per assicurarti di poter creare circuiti e simulazioni di fotodiodi accurati.

Altium Designer si integra con la più ampia catena di approvvigionamento elettronico attraverso il pannello di ricerca delle parti (Manufacturer Part Search), offrendoti una panoramica completa sulla catena di approvvigionamento. Così i progettisti possono scegliere il fotodiodo appropriato, visualizzare i dati di approvvigionamento e i prezzi, nonché individuare i componenti con impronte verificate.

Photodiode circuit

Trova i componenti di cui hai bisogno con il pannello di ricerca delle parti (Manufacturer Part Search) di Altium Designer.

Simulazione dei circuiti con fotodiodi

Lo scopo delle simulazioni dei circuiti con fotodiodi è di esaminare alcuni dei seguenti comportamenti elettrici:

  • La risposta transitoria agli impulsi luminosi in ingresso o alla luce continua
  • L'utilizzo di una linea di carico per determinare la modalità fotoconduttiva rispetto a quella fotovoltaica
  • Determinare la responsività
  • Valutare cambiamenti nel comportamento elettrico rispetto alle variazioni di temperatura
  • Progettare il corretto livello di guadagno nello stadio di amplificazione.

Alcuni di questi aspetti richiedono l'utilizzo di modelli dei componenti accurati per i fotodiodi, mentre altri richiedono l'utilizzo di sorgenti di simulazione per modellare la luce in ingresso e gli effetti del posizionamento del circuito in polarizzazione inversa. I simulatori SPICE possono essere utilizzati solo se i componenti selezionati includono sottocircuiti SPICE accurati per le simulazioni dei segnali misti.

Costruire Simulazioni Accurate con Altium Designer

I componenti generici in Altium Designer e la Simulation Sources Library possono essere utilizzati in combinazione coi modelli di simulazione forniti dal produttore e ai sottocircuiti SPICE personalizzati. Per un circuito a fotodiodo, verrà utilizzato un modello di simulazione che include un fotodiodo polarizzato e una sorgente di corrente per simulare un fotodiodo illuminato. Gli strumenti per i componenti e l'editor di schema di Altium Designer semplificano la creazione di simulazioni per i circuiti con fotodiodi.

Lo strumento MixedSim di Altium Designer è stato progettato per consentire simulazioni a livello logico, simulazioni analogiche e simulazioni DC. Con MixedSim, i progettisti potranno costruire modelli per i loro circuiti a fotodiodo utilizzando sia i componenti disponibili sul mercato che componenti generici. Potranno inoltre eseguire tutte le attività di simulazione standard incluse in un pacchetto SPICE, ma con un'interfaccia e una visualizzazione intuitive. Ma più di tutto, potranno trovare questi strumenti di simulazione all'interno della stessa applicazione insieme all’editor di schema e agli strumenti di selezione dei componenti.

Photodiode circuit simulation model

Costruzione di un modello di simulazione per un circuito a fotodiodo.

Progettazione schematica, simulazione e layout in un'unica applicazione

Con il pacchetto completo di funzionalità di progettazione e simulazione PCB di Altium Designer, avrai a disposizione un pacchetto completo di strumenti per creare e simulare circuiti con fotodiodi. Non solo potrai eseguire simulazioni e determinare le piste di carico, il motore di progettazione unificato basato su regole di progettazione di Altium Designer assicura che tutti i tuoi strumenti siano integrati in un unico programma, e che lavorino all'unisono secondo lo stesso insieme di regole di progettazione. Inoltre, gli strumenti di gestione dei componenti ti consentiranno di assegnare i modelli di simulazione adatti ai tuoi componenti per simulare correttamente i tuoi circuiti a fotodiodi.

Altium Designer e Altium 365 unificano la progettazione e la gestione dei PCB

Con la piattaforma Altium 365, i progettisti possono ora condividere i loro progetti Altium PCB con collaboratori in remoto attraverso una piattaforma cloud sicura. Utilizzando la piattaforma Altium 365, il tuo team potrà accedere e collaborare facilmente a progetti PCB all'interno di Altium Designer. Condividere schemi, componenti, modelli di simulazione, file di layout PCB e pacchetti di produzione non è mai stato così facile.

Photodiode circuit pcb layout

Il pacchetto completo di strumenti di progettazione PCB di Altium Designer ti aiuterà nella creazione di schemi di circuiti con fotodiodi e layout PCB.

Altium Designer è l'unica piattaforma di progettazione PCB unificata capace di gestire qualunque livello di complessità, nonché di produrre layout PCB di alta qualità grazie al suo potente pacchetto di strumenti CAD. Con la piattaforma Altium 365, il tuo team potrà operare alla massima efficienza nell'ambiente integrato di Altium Designer. Fai subito il salto di qualità e accedi ai migliori strumenti di progettazione di circuiti stampati, e alle migliori funzionalità di gestione dati del settore.

Altium Designer di Altium 365 offre un livello d'integrazione senza precedenti nell'industria elettronica, fino a ora relegata al mondo dello sviluppo software, consentendo ai progettisti di lavorare da casa e raggiungere un'efficienza senza precedenti.

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Sull'Autore

Sull'Autore

Zachariah Peterson ha una vasta esperienza tecnica nel mondo accademico e industriale. Prima di lavorare nel settore dei PCB, ha insegnato alla Portland State University. Ha condotto la sua Fisica M.S. ricerche sui sensori di gas chemisorptivi e il suo dottorato di ricerca in fisica applicata, ricerca sulla teoria e stabilità del laser casuale. Il suo background nella ricerca scientifica abbraccia temi quali laser a nanoparticelle, dispositivi semiconduttori elettronici e optoelettronici, sistemi ambientali e analisi finanziaria. Il suo lavoro è stato pubblicato in diverse riviste specializzate e atti di conferenze e ha scritto centinaia di blog tecnici sulla progettazione di PCB per numerose aziende. Zachariah lavora con altre società del settore PCB fornendo servizi di progettazione e ricerca. È membro della IEEE Photonics Society e dell'American Physical Society.

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