Conducción de un diodo LED/láser con una señal de RF de hasta 20 MHz

Estoy tratando de diseñar un circuito que me permita controlar un LED o láser de diodo con una señal de RF de hasta ~ 20 MHz más o menos. Dado que el dispositivo óptico deberá polarizarse con una corriente continua, una polarización -t es una elección natural. Estaba planeando usar un amplificador GALI-84+ de Minicircuits para amplificar mi señal de RF y luego pasarla a un circuito bias-T, sin embargo, cuando estaba mirando el esquema de la placa de evaluación para el GALI-84+ , noté que la salida del amplificador se polariza usando un inductor y un suministro de CC, antes de que se acople a CA usando un capacitor a la salida.

Me comuniqué con Minicircuits para preguntar si podía quitar el capacitor de acoplamiento y usar este circuito para sesgar el diodo y amplificar mi señal a la vez, pero dijeron:

El GALI-84+ es un amplificador de RF diseñado para impulsar cargas de 50 ohmios. Para controlar un LED, deberá configurar el amplificador de manera convencional, detectar la señal de salida de RF con un detector de diodo simple y usarlo para encender un transistor con el LED en el colector.

Describieron el detector de diodos como "un diodo Shottky de señal pequeña en serie que alimenta una resistencia de 1K a tierra" y luego conecta el Shottky a la base de un transistor.

Entonces, ahora estoy confundido:

1) ¿Por qué usar un detector de diodos? 2) ¿Dañaré algo si uso el GALI para conducir una carga que no sea de 50 ohmios directamente?

Actualizar ¿Hay alguna razón por la que no pueda usar esta configuración para controlar mi LED? Dado que el amplificador parece ser un par Darlington, ¿no sería esto apropiado para impulsar una corriente variable? La parte no dibujada a mano es el esquema Gali-84+ de la hoja de datos.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Actualizar Algunos detalles sobre los detalles. Necesito bucear un láser de diodo, con hasta 200 mA de corriente. El láser se enciende a unos 4v, con 40 mA de corriente, y conducirá unos 200 mA por 5,5v. Necesito polarizar el láser (por encima del voltaje de corte) y conducirlo con una señal de CA. Entonces, polarice a 4.75v y conduzca con una corriente de +/- 100 mA, o +/- 0.5v. El diodo se extrae de los reproductores de DVD BlueRay y, como tal, no tengo detalles específicos sobre su comportamiento.

Gracias.

Piensan que quieres usar su amplificador de 6 GHz para amplificar señales de 6 GHz. Saben que no se puede encender un LED a 6 GHz. Piensan que solo quieres el LED para un indicador de "señal presente".
Probablemente podrías hacer lo que quieras con una parte mucho menos elegante. Pero si realmente quieres usar esta parte, solo cuestan $2 cada una. No veo ninguna razón para no intentarlo.
RE: recompensa. Si todo el circuito funciona dependerá de la capacitancia del LED y otros factores que no haya revelado. En el tiempo transcurrido desde que hizo la pregunta, podría haber construido y probado el circuito. No es una pieza cara. ¿Por qué no simplemente probarlo?
Agregué algunos detalles. No lo he probado, porque tengo un suministro limitado de láseres y no puedo permitirme explotarlos. Quería obtener algunas opiniones informadas primero.
Una hoja de datos para el láser (o LED? ¿Cuál es?) Que está utilizando sería muy útil si desea más respuestas útiles.

Respuestas (4)

No estoy siguiendo qué es exactamente esto de los Minicircuitos, pero parece que pensaron que querías encender un LED cuando hay RF presente, de ahí el detector. Parece que realmente quieres conducir el LED con 20 MHz.

A esa velocidad, es una buena idea apagar activamente el LED, no solo encenderlo. No he probado esto, pero este seguidor de doble emisor podría hacer lo que necesitas:

Cuando la salida digital está en 5V, debe haber alrededor de 4.3V en el emisor de Q1, lo que debería ser suficiente para encender el LED a través de R1. Si D1 necesita aproximadamente 2 V, por ejemplo, entonces R1 de 47 Ω permite aproximadamente 50 mA a través del LED. Por supuesto, debe ajustar esto para su LED en particular. Tenga en cuenta que puede conducirlo al doble de su corriente nominal promedio, ya que lo hará durante la mitad del tiempo.

Cuando la salida digital baja, el emisor de Q2 irá a unos 700 mV. Eso es mucho menos de lo que se necesita para encender el LED y eliminará activamente algo de carga para apagar el LED más rápido. Una puerta lógica ordinaria CMOS de 5 V debería poder controlar este circuito. No sé por qué crees que necesitas algún tipo de amplificador allí.

Agregado:

El circuito que muestra funcionará para controlar el LED, ya que puede controlar 0 a una corriente máxima a través del LED en función de la señal de control. Sin embargo, la gran pregunta es qué tan bien funcionará a 20 MHz. A esa frecuencia, debe pensar en que los semiconductores se apaguen activamente, no solo se enciendan. No tiene nada para apagar activamente el LED (para eso está Q2 en mi circuito). Tiene resistencias a tierra en ambas bases de transistores, pero debe pensar en los valores cuidadosamente para asegurarse de que los transistores se apaguen lo suficientemente rápido.

No ha dicho cuál debe ser la corriente máxima del LED, por lo que no puedo decir si realmente necesita la ganancia de dos transistores para hacer un sumidero de corriente controlado. A menos que la corriente sea realmente alta (100 s o mA o más), la ganancia de un solo transistor es suficiente y será más fácil manejar un solo transistor de manera efectiva a 20 MHz.

Añadido 2:

Ahora dice que desea ejecutar el diodo en modo lineal con una polarización de 125 mA y un nivel de señal de +-75 mA a partir de eso. Aquí hay algo que podría funcionar. Digo "podría" porque hay demasiadas incógnitas, especialmente a 20 MHz. Tendrás que probar y ajustar según lo que encuentres:

Q1 actúa como un sumidero de corriente controlado por voltaje. R2 se ajusta para obtener la corriente de polarización correcta sin entrada de señal de RF. Con 5 Vpp CA agregados a la polarización de 5 V en la base de Q1, la corriente debería variar en el rango que desea.

C2 es solo para mejorar un poco la velocidad. Tomé una puñalada aproximada en un valor plausible, pero tendrá que experimentar para ver qué funciona mejor en su configuración. Dependerá de qué tan lento sea realmente el transistor. Tenga en cuenta que dado que esto está ejecutando el LED en modo lineal, no hay nada que elimine activamente las cargas de la unión al reducir la corriente. Por lo tanto, la salida de luz real probablemente se retrasará un poco al disminuir la corriente. Cuánto depende de cosas que no sabemos en este momento. C2 hará que la corriente se adelante un poco al voltaje de entrada en un intento de compensar la lentitud del diodo y el transistor.

Gracias por la respuesta detallada Olin. Estoy buscando específicamente sesgar mi LED/láser y luego modularlo con una señal de RF (modulación de intensidad de subportadora). No puedo decir si su circuito funcionará bien con modulación lineal de pequeña señal.
@gallamine: Lo que mostré está destinado a encender y apagar el LED. ¿Quieres conducirlo con una onda sinusoidal o algo así? ¿Por qué?
Lo estoy usando para la comunicación óptica en el espacio libre. Necesito transmitir una señal de RF usando la intensidad óptica.
No podrá conducir un diodo láser con una onda sinusoidal. Además, ese amplificador MMIC está diseñado para funcionar en clase A, con los transistores encendidos en todo momento. Puede intentar sesgarlo en la clase C, pero es posible que el par Darlington ni siquiera pueda encenderse y apagarse a 20 MHz ... y como dice Olin, aún necesita reducir activamente la salida de alguna manera.
@gallamine: "comunicación óptica de espacio libre" no explica por qué necesita encender o apagar el LED.
Olin, estoy haciendo una modulación de intensidad de subportadora usando una subportadora de RF en la salida de intensidad de los láseres. La intensidad polarizada de la fuente de luz es proporcional al voltaje de entrada de RF.
@JohnMiles en realidad conduzco estos LED y láseres con señales de RF todo el tiempo. Solo necesitas sesgarlos primero. Estoy tratando de tomar los componentes individuales en el banco y hacer una PCB personalizada. Yo uso el GAL-84+ junto con un sesgo de RF-t, pero estoy tratando de simplificar las cosas y eliminar el segundo sesgo-T.
Los transistores en este esquema se saturarán y sus tiempos de apagado serían de hasta 300 ns => muy lejos de los 20 Mhz.
@OlinLathrop Necesito sumergir mi láser de diodo con un sesgo de 125 mA y una señal máxima de +/- 75 mA.
@OlinLathrop, ¿hay algún Q1 en particular que recomendaría? ¡Gracias!
@gallamine: Solicitar una ganancia razonable a 20 MHz es suficiente para mirar las hojas de datos y no solo elegir una parte conocida. Ese requisito no debería ser tan difícil de cumplir, pero como no lo he buscado específicamente, no tengo una pieza para recomendar.

Aquí hay un circuito rápido que se me ocurrió en LTSpice que debería conducir un diodo LED o láser a 20 MHz, suponiendo que el dispositivo sea capaz de hacerlo:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Aquí está la corriente en el LED a 20 MHz, para una entrada p2p de 1 voltio:

LEDControladorSalida

No he probado este circuito en la vida real. ¡No me culpes si explota! Los componentes particulares no deberían ser realmente críticos, excepto teniendo en cuenta la disipación de energía; los 2N2222 en el par diferencial (Q1 y Q2) son bastante rápidos para una onda sinusoidal a 20 MHz, pero se ejecutarán cerca de los límites con respecto a la disipación de energía y probablemente deberían conectarse a un disipador de calor pequeño. Q6 se disipará alrededor de un vatio y debería ser una especie de transistor de potencia pequeño en un paquete TO-220 para manejar la disipación. Me imagino que el diseño del circuito deberá hacerse con cuidado para obtener mejores resultados.

Las 2 secciones de amplificador operacional son un servo de polarización y pueden ser cualquier amplificador operacional de suministro único dual, como un LM358. Este es un tipo de truco rápido, probablemente no esté optimizado y no tenga buenas características; la corriente de salida se distorsionará porque no hay retroalimentación global del diodo, no hay un circuito de protección para el diodo, etc.

¡Diseñar un modulador que incluya todas las campanas y silbatos y que también funcione a 20 MHz probablemente será una tarea no trivial!

Me siento tan estúpido cuando veo respuestas como esta.
@abdullahkahraman No es demasiado complicado si quitas los amplificadores operacionales y esas cosas. Básicamente es solo un amplificador diferencial, Q1 y Q2, con un transistor de control Q3. Q5 y Q6 son fuentes de corriente que se utilizan para establecer la polarización de los transistores. Los amplificadores operacionales son un servo de polarización que compara y filtra por paso bajo los voltajes en las dos bases de transistores diferenciales, y se asegura de que en el punto de reposo siempre fluya una corriente casi igual a través de ambos.
@Bitrex, ¿sigue funcionando el circuito si los 2n2222 no están bien emparejados? Siempre me enseñaron que los amplificadores diferenciales como este (implementados con discretos) funcionarán en la simulación, pero no en la vida real, debido a problemas de desajuste. Pero nunca lo he probado en la vida real, y la uniformidad de la pieza podría ser mejor de lo que esperaba.
@ThePhoton Agregar resistencias de degeneración del emisor R1 y R2 ayuda a que el par diferencial sea insensible a los parámetros del dispositivo. Si simplemente junta dos transistores 2N2222 discretos en los emisores y coloca el mismo voltaje en sus bases en un par diferencial, y sus características no coinciden, es posible que no compartan la corriente muy bien. Agregar retroalimentación negativa (degeneración) mejora mucho las cosas; en la simulación, en realidad puede usar tipos de transistores totalmente diferentes (como 2N2222 y 2N3904) y la corriente solo se reduce en unos pocos mA.
@ThePhoton Degeneration también proporciona una distorsión más baja. La compensación de esto, por supuesto, es una ganancia más baja, pero se utilizan pares diferenciales discretos sin igual con degeneración del emisor todo el tiempo. En algunos circuitos (como los convertidores exponenciales y logarítmicos), agregar degeneración no es una opción, por lo que debe hacer coincidir las características del dispositivo o usar un IC que tenga pares coincidentes integrados, como un CA3046: intersil.com/data/fn/fn341 . pdf

Eche un vistazo a mi pregunta Modificación push-pull de BJT sobre cómo conducir BJT rápido. Su par darlington sería muy lento, el apagado sería de hasta 100ns-300ns.

El segundo punto es que no debe apagar su LED por completo, ya que ralentizaría el próximo encendido. Debe alimentar siempre una corriente muy pequeña al LED, como 0.1-1mA, para que brille muy levemente.

Si obtiene el mejor circuito push-pull de mi pregunta, y alimenta la señal al led a través de un diodo rápido (1N4148 debería hacer el trabajo con sus tiempos de 2-4ns) y una resistencia limitadora de corriente, lo único que necesitaría para agregar es alta- resistencia de valor (unos 10k-100k) del VCC y luego un diodo a su LED. La idea es que cuando el BJT apague el LED, obtendrá una pequeña corriente de VCC a través de una resistencia de alto valor.

El láser de diodo debe polarizarse a +40 mA para lograr el encendido. Me gusta su respuesta, pero parece bastante compleja, y tengo poco tiempo para que las cosas funcionen "lo suficientemente bien". ¿Tiene alguna idea sobre el uso específico del GALI-84+ para controlar un láser de diodo o un LED? ¡Gracias!

El problema principal que veo es que con lo que propone, la polarización del LED será igual a la polarización del amplificador de RF. Si el sesgo ideal para el amplificador es diferente del sesgo ideal para el LED, tendrá que hacer un compromiso o experimentar para descubrir qué funciona mejor.

Además, el amplificador está diseñado para proporcionar la ganancia especificada cuando tiene una carga de RF de 50 ohmios, pero tiene la polarización que proporciona la carga de CC especificada. No lo operará con la carga de RF diseñada, por lo que la ganancia lograda no será lo que dice la hoja de datos. Si la resistencia limitadora de corriente es superior a 50 ohmios, probablemente obtendrá más ganancia de la esperada y menos ancho de banda.

No obstante, es un amplificador de alta ganancia diseñado para 6 GHz y lo estás usando a 20 MHz... hay una buena posibilidad de que funcione adecuadamente.

Editar

Usted menciona que le preocupa dañar su láser, que tiene en cantidad limitada. Es probable que nada en este circuito dañe su láser. Las cosas que pueden dañar su láser son

  • Sobretensión, incluidas fallas en la fuente de alimentación y transitorios de encendido
  • sobrecorriente
  • EDS
  • Exceso de temperatura

Cómo lidiar con esto sería una pregunta aparte.

En un lugar dices que quieres sesgar el LED/láser a 100 mA, en otro dices 125 mA y en otro dices 200 mA. Dado que el amplificador tiene una corriente de polarización máxima abs de 160 mA, no podrá hacer 200 mA con este esquema. Si desea 100 mA, está en muy buena forma, esa es exactamente la corriente de polarización recomendada para el amplificador. Si desea 125 mA, probablemente esté bien, pero no está operando el amplificador en las condiciones de funcionamiento recomendadas, por lo que el rendimiento o la confiabilidad pueden verse afectados, y querrá prestar especial atención al disipador de calor del amplificador.

Acabo de ver que la corriente de funcionamiento recomendada para el amplificador es de 100 mA. Eso podría ser algo alto para un LED de alta velocidad... Si desea saber cómo se comporta el amplificador con una polarización de 50 o 25 mA, MCL no se lo dirá; tendrá que experimentar por sí mismo.
Los láseres de diodo funcionan con esta corriente. Además, los LED de alta potencia, como el Cree XR7090, funcionan a 700 mA y tienen un ancho de banda operativo de 10 Mhz (encendido completo, apagado completo) y un producto de ancho de banda de ganancia de hasta 80 MHz.
¿Ese es el LED que estás usando? Si usa un LED diferente, 100 mA podría ser demasiado; o, puede que no.
Por cierto, en ninguna parte de la hoja de datos de Cree XR7090 ( cree.com/products/pdf/XLamp7090XR.pdf ) veo un reclamo de ancho de banda de conmutación de 10 MHz, o incluso una especificación de capacitancia que sugiera que 10 MHz es posible. Puede ser posible cambiar este dispositivo a esa velocidad, tal vez con un circuito como la primera propuesta de Olin; pero probablemente se necesitarían algunos transistores de controlador muy robustos para hacerlo, o tal vez algún tipo de circuito resonante.
Cree no los diseña para la comunicación, solo para la iluminación. Sin embargo, se han utilizado con éxito para comunicación de banda base de 10 Mbps, 80 Mbps con ecualización, y he probado su respuesta de RF hasta 15 MHz. Puede proporcionar referencias si lo desea. Estoy más preocupado por conducir el diodo láser.
Conducción de un diodo LED/láser con una señal de RF de hasta 20 MHz
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