Exponenta Banner
exponenta event banner

Фотодиод

Фотодиод с входным портом падающего потока

развернуть все на странице
  • Библиотека:

  • Simscape/Электрические/Датчики и преобразователи

  • Photodiode block

Описание

Блок фотодиода представляет собой фотодиод в качестве управляемого источника тока и экспоненциальный диод, включенный параллельно. Управляемый источник тока создает ток Ip, который пропорционален плотности потока излучения:

Ip = Чувствительность к устройствам· Плотность излучения(1)

где:

  • DeviceSensitivity - отношение производимого тока к плотности падающего лучевого потока.

    • При выборе Specify measured current for given flux density для параметра параметризации «Чувствительность» блок вычисляет эту переменную путем преобразования значения параметра «Измеренный ток» в единицы ампер и деления его на значения параметра «Плотность потока».

    • При выборе Specify current per unit flux density для параметра Параметризация чувствительности эта переменная определяется значением параметра Чувствительность устройства.

  • Плотность излучения - плотность падающего потока излучения.

Чтобы смоделировать время динамического отклика, используйте параметр Параметризация (Parameterization) на вкладке Емкость перехода (Junction capacitance), чтобы включить емкость диодного перехода в модель.

Экспоненциальная модель диода обеспечивает следующее соотношение между током диода I и напряжением диода V:

I=IS⋅ (eqVNkTm1 − 1)

где:

  • q - элементарный заряд на электроне (1.602176e-19 кулонов).

  • k - постоянная Больцмана (1.3806503e-23 Дж/К).

  • N - коэффициент излучения.

  • IS - ток насыщения, равный значению параметра Dark current.

  • Tm1 - температура, при которой задаются параметры диода, определяемые значением параметра Measurement temperature.

Когда (qV/ NkTm1) > 80, блок заменяет eqVNkTm1 на (qV/ NkTm1 - 79) e80, что соответствует градиенту диодного тока при (qV/ NkTm1) = 80 и линейно экстраполируется. Когда (qV/ NkTm1) < -79, блок заменяет eqVNkTm1 на (qV/ NkTm1 + 80) e-79, который также соответствует градиенту и линейно экстраполируется. Типичные электрические цепи не достигают этих экстремальных значений. Блок обеспечивает эту линейную экстраполяцию для облегчения сходимости при решении ограничений во время моделирования.

При выборе Use dark current and N для параметра Параметризация диода (Diode parameterization) указывается диод в терминах параметров Темновый ток (Dark current) и Коэффициент излучения (Emission coefficient N). При выборе Use dark current plus a forward bias I-V data point для параметра Параметризация диода (Diode parameterization) на кривой I-V диода указывается параметр Темный ток (Dark current) и точка измерения напряжения и тока. Блок вычисляет N из этих значений следующим образом:

N = VF/( Vtlog (IF/IS + 1))

где:

  • VF - значение параметра VF прямого напряжения.

  • Vt = kTm1/q.

  • IF - значение параметра Current IF при прямом напряжении VF.

Модель экспоненциального диода обеспечивает возможность включения емкости перехода:

  • При выборе Fixed or zero junction capacitance для параметра Параметризация емкость фиксирована.

  • При выборе Use parameters CJO, VJ, M & FC для параметра Параметризация блок использует коэффициенты CJO, VJ, M и FC для вычисления емкости перехода, которая зависит от напряжения перехода.

  • При выборе Use C-V curve data points для параметра параметризации блок использует три значения емкости на кривой емкости C-V для оценки CJO, VJ и M и использует эти значения с заданным значением FC для вычисления емкости перехода, которая зависит от напряжения перехода. Блок вычисляет CJO, VJ и M следующим образом:

    • CJ0 = C1 ((VR2 − VR1 )/( VR2 − VR1 (C2/C1) − 1/М)) М

    • VJ = − (− VR2 (C1/C2) − 1/M + VR1 )/( 1 − (C1/C2) − 1/M)

    • M = log (C3/C2 )/log (VR2/VR3)

    где:

    • VR1, VR2 и VR3 - значения в векторе обратных напряжений смещения [VR1 VR2 VR3].

    • C1, C2 и C3 - значения в векторе соответствующих емкостей [C1 C2 C3].

    Достоверно оценить FC по табулированным данным невозможно, поэтому необходимо указать его значение с помощью параметра FC емкостного коэффициента. При отсутствии подходящих данных для этого параметра используйте типичное значение 0,5.

    Обратные напряжения смещения (определенные как положительные значения) должны удовлетворять VR3 > VR2 > VR1. Это означает, что емкости должны удовлетворять C1 > C2 > C3, поскольку обратное смещение расширяет область истощения и, следовательно, уменьшает емкость. Нарушение этих неравенств приводит к ошибке. Напряжения VR2 и VR3 должны находиться на значительном расстоянии от потенциала соединения VJ. Напряжение VR1 должно быть меньше потенциала соединения VJ, при типичном значении для VR1 0,1 В.

Зависимый от напряжения переход определяется в терминах накопления Qj заряда конденсатора как:

  • Для V < FC· VJ:

    Qj=CJ0⋅ (VJ/( M − 1)) ⋅ ((1 − V/VJ) 1 − M − 1)

  • Для V ≥ FC· VJ:

    Qj=CJ0⋅F1+ (CJ0/F2) ⋅ (F3⋅ (V−FC⋅VJ) + 0,5 (M/VJ) ⋅ (V2 − (FC⋅VJ) 2))

где:

  • F1 = (VJ/( 1 − M)) ⋅ (1 − (1 − FC) 1 − M))

  • F2 = (1 − FC) 1 + M))

  • F3=1−FC⋅ (1 + M)

Эти уравнения те же, что и в [2], за исключением того, что температурная зависимость VJ и FC не моделируется. Эта модель не включает член диффузионной емкости, который влияет на производительность для высокочастотных коммутационных приложений.

Фотодиодный блок содержит несколько вариантов моделирования зависимости зависимости тока-напряжения диода от температуры при моделировании. Температурная зависимость емкости перехода не моделируется, что является гораздо меньшим эффектом. Для получения дополнительной информации см. справочную страницу диода.

Тепловой порт

Блок имеет дополнительный тепловой порт, скрытый по умолчанию. Чтобы открыть тепловой порт, щелкните правой кнопкой мыши блок в модели, а затем в контекстном меню выберите Simscape > Block choices > Show thermal port. Это действие отображает тепловой порт H на значке блока и отображает параметры теплового порта.

Используйте тепловой порт для моделирования влияния генерируемого тепла и температуры устройства. Дополнительные сведения об использовании тепловых портов и о параметрах тепловых портов см. в разделе Моделирование тепловых эффектов в полупроводниках.

Переменные

Раздел «Переменные» интерфейса блока используется для установки приоритетов и начальных целевых значений для переменных блока перед моделированием. Дополнительные сведения см. в разделе Установка приоритета и начальной цели для переменных блока.

Допущения и ограничения

  • При выборе Use dark current plus a forward bias I-V curve data point для параметра Параметризация диода выберите напряжение вблизи напряжения включения диода. Обычно она находится в диапазоне от 0,05 до 1 В. Использование значения за пределами этой области может привести к плохой оценке для N.

  • Возможно, для предотвращения проблем с числовым моделированием потребуется использовать ненулевые значения омического сопротивления и емкости перехода, но моделирование может выполняться быстрее, если эти значения равны нулю.

Порты

Продукция

развернуть все

Физический сигнальный порт, связанный с падающим потоком.

Сохранение

развернуть все

Электрический консервационный порт, связанный с анодом.

Электрический консервационный порт, связанный с катодом.

Параметры

развернуть все

Главный

Выберите один из следующих методов параметризации чувствительности:

  • Specify measured current for given flux density - Укажите измеренный ток и соответствующую плотность потока. Это метод по умолчанию.

  • Specify current per unit flux density - Укажите чувствительность устройства напрямую.

Ток, используемый блоком для вычисления чувствительности устройства.

Зависимости

Этот параметр отображается только при выборе Specify measured current for given flux density для параметра Параметризация чувствительности.

Плотность потока, используемая блоком для вычисления чувствительности устройства.

Зависимости

Этот параметр отображается только при выборе Specify measured current for given flux density для параметра Параметризация чувствительности.

Ток на единицу плотности потока.

Зависимости

Этот параметр отображается только при выборе Specify current per unit flux density для параметра Параметризация чувствительности.

Выберите один из следующих методов параметризации диодной модели:

  • Use dark current plus a forward bias I-V data point - Укажите темновой ток и точку на кривой I-V диода. Это метод по умолчанию.

  • Use dark current and N - Указать темновой ток и коэффициент излучения.

Ток в точке смещения вперед на кривой I-V диода, который блок использует для вычисления IS и N.

Зависимости

Этот параметр отображается только при выборе Use dark current plus a forward bias I-V data point для параметра параметризации диода.

Соответствующее напряжение в точке прямого смещения на кривой I-V диода, которое блок использует для вычисления IS и N.

Зависимости

Этот параметр отображается только при выборе Use dark current plus a forward bias I-V data point для параметра параметризации диода.

Ток через диод, когда он не подвергается воздействию света.

Коэффициент диодной эмиссии или коэффициент идеальности.

Зависимости

Этот параметр отображается только при выборе Use dark current and N для параметра параметризации диода.

Сопротивление подключения последовательного диода.

Температуру, при которой измеряли кривую I-V или темновый ток.

Емкость соединения

Выберите одну из следующих опций для моделирования емкости перехода.

  • Fixed or zero junction capacitance - моделирование емкости перехода в виде фиксированного значения.

  • Use C-V curve data points - Укажите измеренные данные в трех точках на кривой диода C-V.

  • Use parameters CJ0, VJ, M & FC - Укажите емкость перехода с нулевым смещением, потенциал перехода, коэффициент градации и коэффициент истощения прямого смещения.

Фиксированное значение емкости перехода.

Зависимости

Этот параметр отображается только при выборе Fixed or zero junction capacitance для параметра «Параметризация».

Значение емкости, размещенной параллельно экспоненциальному диодному члену.

Зависимости

Этот параметр отображается только при выборе Use parameters CJ0, VJ, M & FC для параметра «Параметризация».

Вектор значений напряжения обратного смещения в трех точках на кривой диода C-V, который блок использует для вычисления CJ0, VJ и M.

Зависимости

Этот параметр отображается только при выборе Use C-V curve data points для параметра «Параметризация».

Вектор значений емкости в трех точках на кривой диода C-V, который блок использует для вычисления CJ0, VJ и M.

Зависимости

Этот параметр отображается только при выборе Use C-V curve data points для параметра «Параметризация».

Потенциал соединения.

Зависимости

Этот параметр отображается только при выборе Use parameters CJ0, VJ, M & FC для параметра «Параметризация».

Коэффициент профилирования.

Зависимости

Этот параметр отображается только при выборе Use parameters CJ0, VJ, M & FC для параметра «Параметризация».

Коэффициент подгонки, который количественно определяет уменьшение расходуемой емкости при приложенном напряжении.

Зависимости

Этот параметр отображается только при выборе Use C-V curve data points или Use parameters CJ0, VJ, M & FC для параметра «Параметризация».

Температурная зависимость

Выберите один из следующих методов параметризации температурной зависимости:

  • None — Simulate at parameter measurement temperature - температурная зависимость не моделируется, или модель моделируется при Tm1 температуры измерения (как определено параметром Measurement temperature на вкладке Main). Это метод по умолчанию.

  • Use an I-V data point at second measurement temperature T2 - при выборе этой опции задается вторая Tm2 температуры измерения, а также значения тока и напряжения при этой температуре. Модель использует эти значения вместе со значениями параметров при первом Tm1 температуры измерения для вычисления значения энергетического зазора.

  • Specify saturation current at second measurement temperature T2 - при выборе этой опции задается вторая Tm2 температуры измерения и значение тока насыщения при этой температуре. Модель использует эти значения вместе со значениями параметров при первом Tm1 температуры измерения для вычисления значения энергетического зазора.

  • Specify the energy gap EG - укажите непосредственно значение энергетического зазора.

Укажите значение I1 тока диода при V1 напряжения при второй температуре измерения.

Зависимости

Этот параметр отображается только при выборе Use an I-V data point at second measurement temperature T2 для параметра «Параметризация».

Укажите значение V1 напряжения диода при I1 тока при второй температуре измерения.

Зависимости

Этот параметр отображается только при выборе Use an I-V data point at second measurement temperature T2 для параметра «Параметризация».

Укажите значение тока насыщения IS при второй температуре измерения.

Зависимости

Этот параметр отображается только при выборе Specify saturation current at second measurement temperature T2 для параметра «Параметризация».

Укажите значение для второй температуры измерения.

Зависимости

Этот параметр отображается только при выборе Use an I-V data point at second measurement temperature T2 или Specify saturation current at second measurement temperature T2 для параметра «Параметризация».

Выберите значение энергетического промежутка из списка заданных опций или укажите пользовательское значение:

  • Use nominal value for silicon (EG=1.11eV) - Это значение по умолчанию.

  • Use nominal value for 4H-SiC silicon carbide (EG=3.23eV)

  • Use nominal value for 6H-SiC silicon carbide (EG=3.00eV)

  • Use nominal value for germanium (EG=0.67eV)

  • Use nominal value for gallium arsenide (EG=1.43eV)

  • Use nominal value for selenium (EG=1.74eV)

  • Use nominal value for Schottky barrier diodes (EG=0.69eV)

  • Specify a custom value - При выборе этой опции в диалоговом окне появится параметр Энергетический промежуток, EG, позволяющий задать пользовательское значение для EG.

Зависимости

Этот параметр отображается только при выборе Specify the energy gap EG для параметра «Параметризация».

Укажите пользовательское значение для энергетического промежутка, EG.

Зависимости

Этот параметр отображается только при выборе Specify a custom value для параметра Параметризация энергетического зазора (Energy gap parameterization).

Выберите одну из следующих опций, чтобы задать текущее значение степени температуры насыщения:

  • Use nominal value for pn-junction diode (XTI=3) - Это значение по умолчанию.

  • Use nominal value for Schottky barrier diode (XTI=2)

  • Specify a custom value - При выборе этой опции в диалоговом окне появится параметр XTI «Степень текущей температуры насыщения», позволяющий задать пользовательское значение XTI.

Укажите пользовательское значение для степени текущей температуры насыщения XTI.

Зависимости

Этот параметр отображается только при выборе Specify a custom value для параметра параметризации степени текущей температуры насыщения.

Укажите значение температуры Ts, при которой будет моделироваться устройство.

Примеры модели

Microcontroller with GPIO, ADC and DAC Connections

Микроконтроллер с подключениями GPIO, ADC и DAC

Моделирование интерфейса между блоком микроконтроллера (MCU) и физической системой. Здесь соединения GPIO, ADC и DAC микроконтроллера используются для управления двигателем постоянного тока и связанной нагрузкой с ограниченным угловым движением. Измерение угла нагрузки осуществляется через датчик потенциометра. Это измерение калибруется путем первоначального изменения положения ротора до тех пор, пока фотодиод не обнаружит импульс света с нулевым углом от светодиода. После калибровки MCU командует синусоиду амплитуды 0.1Hz 45 градусов.

Ссылки

[1] Х. Ахмед и П. Дж. Спредбери. Аналоговая и цифровая электроника для инженеров. 2-е издание, издательство Кембриджского университета, 1984 год.

[2] Г. Массобрио и П. Антогнетти. Моделирование полупроводниковых приборов с помощью SPICE. 2-е издание, McGraw-Hill, 1993.

Расширенные возможности

Создание кода C/C + +
Создайте код C и C++ с помощью Simulink ® Coder™

.

См. также

| |

Представлен в R2008a

Документация Simscape Electrical

Поддержка