[硬件电路-175]：multisim中如何给让光电二极管产生光电流？

在Multisim中让光电二极管（Photodiode, PD）产生光电流，需通过模拟光照条件并设计合适的电路来检测光生电流。以下是详细步骤和注意事项：

一、核心原理

光电二极管在光照下会产生光电流（IPD​），其大小与光强、光谱响应范围及器件参数（如响应度S）相关。在Multisim中，需通过以下方式模拟光照：

1. 直接设置光照参数（若Multisim支持器件级光照模型）。
2. 使用电流源替代（手动模拟光电流）。
3. 结合外部电路（如运放）放大微弱光电流。

二、方法一：使用Multisim内置光电二极管模型（推荐）

步骤1：放置光电二极管

1. 打开Multisim，从元件库中选择光电二极管：
   • 路径：Place Component → Group → Optoelectronics → Photodiode（如BPW34、SFH213等型号）。
   • 若库中没有具体型号，可选择通用模型（如PHOTODIODE_GENERIC）。

步骤2：设置光照条件

1. 双击光电管，打开属性窗口。
2. 查找光照相关参数（如Illumination、Photon Flux或Light Intensity）：

   • 部分版本可能直接提供光照强度输入（单位：lux或W/m2）。

   • 若无直接参数，需通过响应度S（A/W）和光功率Popt​计算光电流：

IPD​=S×Popt​

例如：若$S=0.5\,A/W$，$P_{opt}=1\,mW$，则$I_{PD}=0.5\,mA$。

步骤3：构建检测电路

1. 零偏压模式（光伏模式）：
   • 将光电二极管阳极接地，阴极通过负载电阻（如10kΩ）连接至电源正极。
   • 测量负载电阻两端电压，即可反映光电流大小。
2. 反向偏压模式（光导模式）：
   • 将光电二极管阴极接反向电压（如−5V），阳极接地。
   • 通过示波器或万用表测量反向电流或输出电压。
3. 跨阻放大器（TIA）电路（适用于微弱光电流）：
   • 将光电二极管阴极接运放反相输入端，阳极接地。
   • 运放输出端通过反馈电阻（如1MΩ）连接至反相输入端。
   • 输出电压 Vout​=−IPD​×Rf​，可放大光电流信号。

三、方法二：手动模拟光电流（无光照模型时）

若Multisim不支持直接设置光照，可通过以下步骤手动模拟：

步骤1：替换为电流源

1. 删除光电二极管，放置电流控制电流源（CCCS）或直流电流源。
2. 设置电流源值等于预期光电流（如1μA）。

步骤2：构建等效电路

1. 将电流源阳极接地，阴极接负载电阻或运放输入端。
2. 后续电路与光电二极管检测电路一致（如零偏压、反向偏压或TIA模式）。

四、方法三：使用SPICE模型（高级用户）

若需精确模拟光电二极管的光电特性，可导入SPICE模型：

1. 获取SPICE模型：从器件厂商（如Vishay、Osram）下载光电二极管的SPICE模型文件（.mod或.lib）。
2. 导入Multisim：
   • 通过Tools → Edit Components → SPICE Model导入模型。
   • 在模型中定义光照参数（如PHOTO或ILLUM）。
3. 调用自定义模型：放置通用二极管，修改其模型为导入的光电二极管SPICE模型。

五、验证与调试

1. 运行仿真：
   • 启动交互式仿真（Simulate → Run）。
   • 使用示波器或万用表测量输出电压或电流。
2. 调整参数：
   • 若光电流过小，增大光照强度或反馈电阻。
   • 若电路无响应，检查极性（阳极接地，阴极接高电位）和电路连接。
3. 示例电路：
   • 零偏压模式：光电二极管阳极接地，阴极接10kΩ电阻，电阻另一端接5V电源。测量电阻两端电压。
   • TIA模式：光电二极管阴极接运放反相端，阳极接地；运放输出通过1MΩ电阻反馈至反相端。测量运放输出电压。

六、注意事项

1. 光谱匹配：确保仿真中的光源波长与光电二极管的响应波长范围一致（如850nm红外LED对应硅基PD）。
2. 暗电流：若需模拟暗环境，将光照参数设为0，此时检测到的电流为暗电流（通常小于1nA）。
3. 响应速度：高速应用需选择结电容小的PD（如PIN-PD），并在仿真中缩短脉冲宽度测试响应时间。

七、完整示例流程

1. 放置元件：光电二极管（BPW34）、运放（LM741）、电阻（1MΩ）、电源（±15V）。
2. 连接电路：
   • PD阳极接地，阴极接运放反相端。
   • 运放同相端接地，输出通过1MΩ电阻反馈至反相端。
   • 运放电源接±15V。
3. 设置光照：双击PD，设置Illumination=1000\,lux（假设响应度S=0.5A/W，则IPD​=0.5mA）。
4. 运行仿真：测量运放输出电压，理论值应为−IPD​×Rf​=−0.5mA×1MΩ=−500V（实际受运放输出摆幅限制，需调整反馈电阻或电源电压）。

通过以上方法，可在Multisim中有效模拟光电二极管的光电流产生及检测过程。