Amplificador de fotodiodo

Amplificador de fotodiodo con LM324

Este circuito convierte la corriente inversa de un fotodiodo en una tensión proporcional a la intensidad de luz que recibe. Es la forma más directa de construir un sensor de luz analógico con un amplificador operacional: un solo componente activo (un canal del LM324), una resistencia de realimentación R1 y el fotodiodo.

La topología se conoce como amplificador de transimpedancia (TIA) porque su ganancia no es una relación de tensiones sino de tensión sobre corriente: voltios por amperio, es decir, ohmios. Con R1 = 1 MΩ, cada microamperio de fotocorriente produce 1 V en la salida.

Cómo funciona

El fotodiodo D1 se conecta con el cátodo en la entrada inversora (−) y el ánodo a masa. La entrada no inversora (+) también va a masa. El amplificador operacional, gracias a su realimentación negativa a través de R1, fuerza la entrada inversora a permanecer en masa virtual: la tensión en ese nodo se mantiene prácticamente a 0 V.

Cuando la luz incide sobre el fotodiodo, este genera una corriente inversa (fotocorriente) que fluye desde el cátodo hacia el ánodo a través del propio fotodiodo. Externamente, esa corriente sale del nodo de la entrada inversora hacia masa. Para mantener la masa virtual, el amplificador operacional compensa inyectando exactamente la misma corriente a través de R1 desde su salida. El resultado es:

Vo = I_foto × R1

Con R1 = 1 MΩ y un fotodiodo típico que genere entre 0,1 µA y unos pocos µA bajo iluminación moderada, la salida queda en un rango de decenas de milivoltios a varios voltios, cómodamente dentro del margen de un conversor analógico-digital.

El fotodiodo trabaja aquí en modo fotovoltaico (tensión de polarización prácticamente nula), porque ambos terminales están a 0 V. Esto minimiza la corriente de oscuridad y el ruido a costa de un ancho de banda algo menor que en modo fotoconductor (polarización inversa). Para la mayoría de sensores de luz de baja frecuencia es la configuración preferida.

Elección de R1

La resistencia de realimentación R1 fija la sensibilidad del circuito:

R1	Sensibilidad	Uso típico
100 kΩ	0,1 V/µA	Luz intensa, fotodiodos de alta corriente
1 MΩ	1 V/µA	Iluminación media, uso general
10 MΩ	10 V/µA	Luz débil, señales ópticas de baja potencia

Al aumentar R1 crece la sensibilidad, pero también el ruido y se reduce el ancho de banda. Con valores superiores a unos pocos MΩ conviene añadir un condensador en paralelo con R1 (de unos pocos pF a decenas de pF) para evitar oscilaciones por la capacitancia parásita del fotodiodo.

Límites del LM324

El LM324 acepta tensiones de entrada hasta masa (rail-to-rail en la entrada baja), lo que permite conectar la entrada no inversora directamente a GND, algo que muchos amplificadores operacionales no toleran. Sin embargo, tiene algunas limitaciones:

• Velocidad. Su ancho de banda (1 MHz, slew rate 0,5 V/µs) limita el circuito a señales ópticas de baja frecuencia: sensores de luz ambiental, barreras infrarrojas lentas, medición de potencia óptica estática.
• Tensión de salida mínima. La salida del LM324 no baja de unos 20 mV por encima de GND, lo que introduce un pequeño offset en oscuridad.
• Corriente de polarización de entrada. Los típicos 20–45 nA de corriente de bias del LM324 generan un offset de 20–45 mV con R1 = 1 MΩ. Para aplicaciones de precisión conviene un amplificador con entrada JFET o CMOS.

Para señales ópticas rápidas (comunicación por fibra, pulsos láser) se usan TIA dedicados con anchos de banda de MHz a GHz.

Aplicaciones

• Sensor de luz ambiental. Medir la intensidad de luz para control de iluminación automático, inversores solares o estaciones meteorológicas.
• Barrera infrarroja. Un LED infrarrojo emisor y un fotodiodo receptor forman una barrera que detecta la interrupción del haz: contadores de piezas, detectores de presencia, encoders de rueda.
• Pulsioximetría. Los pulsioxímetros de dedo usan dos LED (rojo e infrarrojo) y un fotodiodo con amplificador de transimpedancia para medir la absorción de la hemoglobina y calcular la saturación de oxígeno en sangre.
• Medición de potencia óptica. En fibra óptica y laboratorio se usa un fotodiodo calibrado con un TIA para medir la potencia de un haz láser o de una fuente LED.
• Comunicación óptica de corto alcance. Mandos a distancia por infrarrojos y enlaces ópticos de baja velocidad usan esta misma topología como etapa receptora.