Relazione sulla risposta di un fotodiodo

7/22/2019 Relazione sulla risposta di un fotodiodo

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Relazione:Ottimizzazione del segnale in tensione di un fotodiodo

mediante polarizzazione inversa

Francesco Dulio

Universit degli Studi di PaviaAnno Accademico 2013/2014


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Scopo dellesperienza

Lesperienza verter nel seguenti punti:

1. studio della curva caratteristica del LED e del fotodiodo;

2. studio della risposta del fotodiodo illuminato dal LED;

3. miglioramento del segnale in tensione con circuito chiuso;

4. miglioramento delle qualit del segnale con polarizzazione inversa del fotodiodo.

Lo scopo dellesperienza quello di ottimizzare, in un circuito al cui interno presente un fotodiodo, la relazione tra la tensione generata dal fotodiodo conlintensit della luce incidente su esso, rendendola la pi lineare possibile e con unabuona risposta in frequenza in temini di banda passante.

MaterialeI dispositivi e i materiali utilizzati sono:

1 fotodiodo al silicio BPW 34 OSRAM (limiti di funzionamento: Vmax = 1 V eImax= 2 mA);

1 LED giallo (InGaAlP) L-53SYC Kingbright (caratterizzato in tensione-corrente);

1 basetta su cui disporre gli elementi circuitali;

1 generatore di funzioni;

1 cilindretto metallico forato (oscuratore del fotodiodo);

1 oscilloscopio;

1 sorgente di alimentazione continua regolabile;

2 multimetri digitali;

alcuni cavi coassiali di connessione:

alcune resistenze (1-5 k).

Procedimento1. Curva caratteristica del LED e del fotodiodo

LED La curva caratteristica del LED simile a quella di una giunzione p-n conuna tensione di ginocchio di 1.8 V; per analizzare la curva del LED preso in esameil circuito utilizzato composto da un generatore di tensione, una resistenza diprotezione da 1 k in serie, ovviamente, al LED medesimo. Bisogna utilizzare,inoltre, due multimetri per misurare la tensione ai capi del LED e la corrente presentenel circuito.

Qui di seguito sono riportati i valori misurati gi riportati in un grafico:

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0.5 1 1.5 2

5

10

15

VLED (V)

ILED (mA)

Ciascuno dei valori presentati deve ritenersi affetto da incertezza strumentale dilettura pari a met della cifra meno significativa in eccesso o in difetto.

Fotodiodo Analogamente al LED si analizza la curva caratteristica del fotodiodo,anchesso inteso come una giunzione p-n.

Di seguito sono riportati, in un grafico, i valori misurati:

0.2 0.4 0.6

0.5

1

1.5

2

Vph (V)

Iph (mA)


Beninteso che le curve caratteristiche seguono landamento previsto si passa alsecondo punto.

2. Fotodiodo in presenza di illuminazione

Misurando un multimetro la tensione a circuito aperto (o la corrente a cirucitochiuso) relativa al fotodiodo mentre si varia lintensit di corrente (e quindi luminosa)del LED, permette di valutare la relazione cercata, almeno in uno stadio iniziale.

Si ottengono quindi i seguenti valori:

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ILED (mA) Iph (A)

1.14 1.42.22 2.84.40 6.17.38 10.48.74 12.410.06 14.311.47 16.313.17 18.514.94 20.916.80 23.218.18 24.819.28 26.1

riportati poi in un grafico a dispersione:

5 10 15 20

10

20

ILED (mA)

Iph (A)


I dati si prendono inserendo allinterno del cilindretto metallico il LED, conside-rando questo come unica sorgente di luce incidente sul fotodiodo, e oscurando con ilcilindretto il fotodiodo.

La seconda serie di dati si riferisce alla tensione fotogenerata Vph sempre infunzione della ILED.

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ILED (mA) Vph (V)

1.14 0.2172.22 0.2364.40 0.2567.38 0.2728.74 0.27610.06 0.28011.47 0.28413.17 0.28814.94 0.29116.80 0.29418.18 0.29619.28 0.298

e vengono riportati in un grafico, il seguente:

5 10 15 20

0.22

0.24

0.26

0.28

0.3

ILED (mA)

Vph (V)


I valori registrati mettono in evidenza un andamento di tipo logaritmico: proprioil raddrizzamento di questo andamento lo scopo dellesperienza.

3. Comportamento in frequenza del fotodiodo

Per ottenere il comportamento in frequenza si alimenti il LED con un segnalevariabile (si utilizzata soprattutto unonda quadra): ci che si legge nelloscilloscopio(la Vph) non proporzionale allintensit luminosa.

Per ovviare al problema si pu chiudere il circuito con una resistenza di valoreadatto; sfortunatamente per avviene anche una diminuzione del valore assoluto delmassimo delloscillazione utilizzando questo metodo. Per motivi di tempo sono statiraccolti solo pochi dati sulla Vph in funzione della VLED in questa confgurazione:

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ILED (mA) Vph (mV)

0.43 2.403.36 3.205.53 4.00

Per i valori della Vph, che sono i valori di picco delle oscillazioni di onda quadraregistrate dalloscilloscopio a una frequenza di 1 kHz, le incertezze sui valori misuratisono incertezze di lettura sullo schermo: con il fondo scala adottato esse non superanoil valore di 0.05 mV .

1 2 3 4 5 6

2.5

3

3.5

4

ILED (mA)

Vph (V)

Il grafico mostra un qualche miglioramento in quanto a linearizzazione, anche se i dati

raccolti non sono in numero soddisfacente per dare la certezza di funzionamento delmetodo, inoltre gli effetti di integrazione compaiono adesso per frequenze superioriai 50 kHz (immagine in Appendice).

Si vuole per migliorare il risultato sia in termini di banda passante che di valoreassoluto del segnale in uscita, per questo si passa al prossimo punto.

4. Polarizzazione in inversa del fotodiodo

(Resistenza utilizzata: 5k, Vpol = 5 V)

Si va ad esaminare la risposta in frequenza del circuito: la tensione di polarizza-zione inversa modifica gli effetti capacitivi allargando la regione di svuotamento ediminuendo la capacit di transizione della giunzione. Gli effetti di distorsione delsegnale sono ridotti e non compaiono prima di frequenze dellordine dei 100 kHz.

Si pu quindi analizzare il legame tra Vph e lintensit luminosa (considerandoILED). Vengono riportati i dati raccolti:

ILED (mA) Vph (mV)

1.60 3.23.13 6.44.71 10.45.99 12.8

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In questo caso i valori della Vph sono misurati prendendo come riferimento la tensionedi polarizzazione, che negativa. Sono ora riproposti in un grafico:

2 3 4 5 6

4

6

8

10

12

ILED (mA)

Vph (mV)


Commenti e conclusioni

Emportante notare che durante la presa dei dati per la curva caratteristica delfotodiodo altamente consigliabile oscurare con il cilindretto di metallo il dispositivoper impedire allilluminazione ambientale di introdurre uneccessiva distorisione difondo.

Bisogna considerare che esiste una relazione che intercorre tra la luce emessa e lacorrente che scorre nel LED:

Iph= I0(eV

V(T) 1) +ILED.

Essa lineare e questo permette di giustificare lutilizzo dei dati relativi alla correntecome sostitutivi di quelli relativi alla luminosit.

Il valore della resistenza utilizzata nella risposta in frequenza va bilanciato perottenere equilibrio tra le richieste di linearizzazione (che richiedono valori alti diresistenza) e quelle di effetiva misurabilit con la strumentazione messa a disposizione:il pi appropriato in questa fase risultato quello di 1 k (posta in parallelo).

Utilizzando la polarizzazione inversa la banda passante si allarga decisamente.Si pu quindi affermre che lesperienza ha confermato gli andamenti attesi per lecurve di caratterizzazione dei dispositivi. La soluzione della polarizzazione inversa stata adeguata e ha prodotto un miglioramento nella qualit del segnale di uscita.

Trucchetto per vedere il segnale non integrato Si inserisca una resistenzapiccola (rispetto in generale a quella delloscilloscopio): nella curva caratteristica I-Vsi vede un qualcosa di pi proprozionale alla corrente ma pi piccolo. Esso tantopi piccolo quanto pi piccola la resistenza; al limite per R=0 come chiudere ilcirciuto, si leggerebbe la corrente ma non la tensione.

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Appendice

Anche i dati raccolti giustificano la relazione lineare tra la ILED e la Iph: se neriporta il grafico:

5 10 15 20

10

20

ILED (mA)

Iph (A)

Con A si indica la traccia del segnale emesso dal generatore di funzioni, con B latraccia del segnale raccolto ai capi del fotodiodo.

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(a) 15 Hz (b) 0.6 kHz

(c) 3 kHz (d) 20 kHz

Figura 1: Segnale raccolto a circuito aperto.

(a) 0.2 kHz (b) 1 kHz

(c) 50 kHz

Figura 2: Segnale raccolto inserendo una resistenza da 1 k.

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(a) 100 Hz (b) 50 kHz

(c) 100 kHz (d) 200 kHz

Figura 3: Segnale raccolto polarizzando inversamente il fotodiodo.

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