#7 신호 검출용 다이오드 (Photodiode)

#6. 다이오드를 왜, 어디에 사용할까? :: 아날로그 회로 설계 (tistory.com) 에서 살펴봤던 다이오드의 3가지 용도 중 마지막 신호 검출용 다이오드에 대해 알아볼까 합니다. 일반적으로 많이 활용하는 정류용이나 보호용과는 달리 신호를 검출하는 용도로도 다이오드가 사용된다는 사실! 레이저나 라이다를 하는 분들이라면 잘 아실테죠. 발광다이오드인 LED는 전기신호를 빛으로 바꿔주지만 신호 검출용 다이오드는 빛을 받아서 전기 신호로 바꿔주는 일종의 센서 역할을 수행 합니다. 이런 다이오드를 사람들은 Photo Diode라고 명칭을 붙였죠. 줄여서 PD 라고도 합니다.
 
#5. Diode의 정의와 기본적인 동작 특성 :: 아날로그 회로 설계 (tistory.com) 에서 다이오드는 PN 접합으로 이뤄져있다고 했었지만, 사람들은 반응도를 키우거나 증폭도를 향상시키기 위해 물질을 바꾸거나 Intrinsic 영역을 삽입하는 등 여러가지 시도를 많이 했습니다. 그렇게 나온 것들이 PIN(P type - Intrinsic - N type) PD, APD(Avalanch PD) 입니다. 여기서는 이런 다양한 종류의 PD의 차이점을 설명하기 보다는 PD의 용도에 대해서 회로에서 어떻게 활용되는지 얘기해 보려고 합니다.
 
그림 1과 같이 PD는 레이저를 포함한 적외선 영역의 빛을 받으면 전류 신호를 생성합니다. 즉, 빛을 전기적 신호로 바꿔주는 역할을 하죠.  그리고 일반적인 다이오드는 순방향 전압에서 동작하지만 PD는 역방향 전압 영역에서 동작한다는 사실을 알아야 합니다. 
 

[그림 1. Photodiode(PD) 빛 → 전류 변환]

#5. Diode의 정의와 기본적인 동작 특성 :: 아날로그 회로 설계 (tistory.com) 에서 설명했던 다이오드의 I-V 특성 그래프를 다시 살펴봐야할 때 입니다. 그림 2는 다이오드의 거의 전부라 할만큼 중요하다고 강조했었던 I-V 특성 그래프 입니다. 일반적인 다이오드를 설명할 때는 순방향 전압 영역을 주로 사용한다고 했지만, PD로 사용할 때는 역방향 전압에서 주로 사용하게 됩니다. 역방향 전압을 걸어놓은 상태에서 빛을 받지 않으면 그림 2와 같이 Is라는 누설전류가 발생합니다. PD에 관해 설명할 때는 이 누설전류를 암전류라고 표현합니다. 빛을 받지 않는 상태에서 흐르는 전류이기 때문이죠.  

[그림 2. 다이오드의 I-V 특성 그래프]

 
자, 그러면 빛을 받으면 어떻게 될까요? 그림 3과 같이 역방향 전압 영역에서의 전류가 증가하게 됩니다. 이 전류를 Ip 라고 표현합니다. 그러면 빛을 받았을 경우에 흐르는 총 전류의 합은 Ip+Is가 되는거죠.
 

[그림 3. 빛을 받을 때, 다이오드의 I-V 특성 그래프]

 
그림 3에서 빛의 세기가 커질수록 전기 신호의 세기 또한 커지는 것을 알 수 있습니다. 만약 빛의 세기가 너무 미약해서 암전류 보다 작은 전류가 흐를 경우에는 그 신호를 검출할 수 없으므로 PD의 암전류를 고려하여 송신부에서 충분히 큰 신호를 송신해주어야 합니다.(더 정확하게는 암전류 외 shot noise와 회로의 noise를 포함하는 sensitivity를 고려해야 합니다.)
 
역방향 전압 영역에서 동작한다는 걸 알았으니 이제 회로를 구성해 봅니다.

[그림 4. 신호 검출을 위한 PD 회로]

 
그림 4를 보면 PD가 빛을 받아서 전류로 변환하고, 이 전류를 TIA(Trans-Impedance Amplifier)를 사용하여 다시 전압으로 변환해주면 우리가 원하는 전압 Vout 으로 신호를 검출할 수 있게 됩니다. 여기서는 PD의 검출 원리를 이해하기 위해 굉장히 간단한 TIA 하나만을 사용하여 회로 구성을 하였지만 현업에서는 원치않게 발생하는 회로의 노이즈를 최소화하고 DC Offset을 보상하고, ADC 인터페이스 등을 고려하여 설계하기 때문에 훨씬 더 복잡해 집니다. 그럼 여기까지 신호 검출용으로 사용하는 다이오드에 대한 포스팅을 마칩니다~!