Трансимпедансный усилитель - компенсация и стабилизация

Schrodinger

Здравствуйте! =) Долго думал, в каком разделе задать вопрос, искал по форуму похожие темы - но что-то ничего подходящего не нашёл. Спрошу тут.

Вот собрал я на макетке классический трансимпедансный усилитель:

Фотодиод BPW21R (1200 pF), Rf = 100k, Cf = 33 pF, ОУ OPA177FP (питание двуполярное, +5 В и -5 В).
Смотрю осциллографом и получаю такую картину (бумага, ручка, начало XXI века):

Верхняя осциллограмма - это без Cf. Нижняя - с Cf = 1 uF (33 pF дают такую же картинку).
Смотрю сам фотодиод в фотоэлектрическом режиме на осциллографе - прямая линия.
И я вот не могу понять: почему просто фотодиод выдаёт прямую линию, а подключенный к ОУ - кубическую параболу с частотой 50 кГц? Это нормальный режим работы трансимпедансного усилителя, или что-то пошло не так? Как влияет Cf на всю эту схему? И можно ли в такой схеме на выходе получить, всё-таки, прямую линию?

Реклама

ПУХ

По моему вы собрали обыкновенный интегрирующий усилитель. Передаточная функция трансимпедансного операционного усилителя (ТИОУ) представляет собой зависимость выходного напряжения от входного тока, а у Вас напряжение с фотодиода усиливается с помощью ИУ, и получается, что передаточная функция операционного усилителя представляет собой зависимость выходного напряжения от входного напряжения. Поэтому я предполагаю, что Ваш кот скорее мёртв, чем жив. Чтобы была классическая схема ТИОУ необходимы небольшие переделки

и как написано в анонсе на схему:"В большинстве случаев для смещения Vсмещ используется шина питания +V."
Хотя сам с этими схемами не сталкивался, могу и ошибаться, но видел как сними занимались мои коллеги.

Реклама

IRMADE

Трансимпедансный усилитель это усилитель, охваченный отрицательной обратной связью (ООС), параллельной по напряжению. Коэффициент ОС (бэтта) является функцией отношения выходного напряжения к входному току и имеет размерность сопротивления. Отсюда - название. Характерный параметр - пониженное входное (десятки, сотни ом) и повышенное выходное (единицы, редко десятки, килоом) сопротивление.

Schrodinger

ПУХ, трансимпедансные усилители бывают обратносмещённые и с нулевым смещением. По крайней мере, так написано в статье у производителя фотодиода: http://www.vishay.com/docs/80085/measurem.pdf, стр. 7, рис. 21. Там такая схема указана как трансимпедансный усилитель, фотодиод в фотоэлектрическом режиме, включенный по схеме короткого замыкания, и всё это - преобразователь тока в напряжение. И передаточная функция там приведена линейная: выходное напряжение линейно зависит от тока фотодиода, умноженного на сопротивление обратной связи.

Линейность у схемы, на первый взгляд, есть. В зависимости от освещения весь этот частокол ходит вверх-вниз по оси напряжения. Но почему происходит искажение формы сигнала? Как линейный сигнал фотодиода, пройдя через ОУ, становится таким странным? Откуда взялась пульсация с частотой 50 кГц?

Реклама

ПУХ

В таком случае может, Вам ОУ не подходит. Или попробовать подключить к выводам 1 и 8 конденсатор, эти выводы предназначены для коррекции О, но можно попробовать. Или попробовать изменить схему, тем более что переделки не велики.

Реклама

kaetzchen

Трансимпедансный ус-ль- это просто преобразователь ток-напряжение, ну и усиление +\-

Реклама

Schrodinger

ПУХ писал(а):попробовать подключить к выводам 1 и 8 конденсатор

По даташиту, там должен висеть переменный резистор 20К. Он у меня там и висит =) А какую роль сыграет кондёр?

ПУХ писал(а):попробовать изменить схему, тем более что переделки не велики.

Вы имеет в виду - подать напряжение смещения на диод? Можно попробовать, хотя говорят, что такая схема, как раз, более шумная (http://www.analog.com/media/en/training ... csect5.PDF, Рис 5.4).

ПУХ писал(а):В таком случае может, Вам ОУ не подходит.

Рекомендуют ОУ с FET-входами, у OPA177, вроде, не такие. А в чём отличие? Я как понял, FET - это с полевиками на входе?

Папа Карло

Schrodinger писал(а):
И я вот не могу понять: почему просто фотодиод выдаёт прямую линию, а подключенный к ОУ - кубическую параболу с частотой 50 кГц?

Генерация, стало быть.
Попробуйте нижний конец ФД подключить на неинвертирующий вход, а его, в свою очередь - на землю через, например, 1ком.
Ещё могут создавать импульсы на такой частоте энергосберегайки
И, кстати, а какой у вас источник питания. Может это от него?

Schrodinger

Папа Карло, я тогда сегодня пособираю разные варианты схемы, погоняю всё это на осциллографе, сниму осцилограмму с источника питания (он у меня самодельный, по схеме ниже), и отпишусь здесь.

Папа Карло

[quote="Schrodinger"]Папа Карло, я тогда сегодня пособираю разные варианты схемы, погоняю всё это на осциллографе, сниму осцилограмму с источника питания (он у меня самодельный, по схеме ниже), и отпишусь здесь.

Думаю, что такой источник помех не даёт. Но, скажите, зачем вам именно трансимпедансный усилитель? Можно и простой ОУ. Он тоже работает с фотодиодом.

Schrodinger

Вообще, моя задача - измерять уровень освещённости фотодиода и принимать этот сигнал на АЦП. Причём, сигнал должен быть линеен относительно уровня освещённости, и вся схема должна мало зависеть от температуры окружающей среды. Почитал Интернет, производители радиокомпонентов рекомендуют трансимпедансный усилитель, причём именно без приложения напряжения смещения. Вот выжимки из статьи http://www.vishay.com/docs/80085/measurem.pdf:

Схемы, в которых фотодиод включен в фотоэлектрическом режиме (катод подключен к неинвертирующему выходу), имеют строго логарифмическую зависимость выходного напряжения от уровня освещения; имеют длительное время переключения; их применимость ограничена узким диапазоном окружающих температур (стр. 6).

Схемы, в которых фотодиод включен в фотопроводящем режиме, бывают двух видов: с приложением обратного напряжения смещения и без него (анод фотодиода подключается к общему проводу). Для таких схем используют преобразователи ток-напряжение, которыми и являются трансимпедансные усилители. Температурная зависимость таких схем ничтожна. Зависимость выходного тока от уровня освещения линейна. Схемы без приложения обратного напряжения смещения отличаются отсутствием темнового тока и более точны, в то время как схемы с приложением обратного напряжения смещения, хоть и более шумные, отличаются высокой скоростью работы (стр. 7).

На основании написанного в этой статье я и сделал вывод, что мне нужна схема, показанная у них на рис. 21 - трансимпедансный усилитель без приложения к диоду обратного смещения. Такая схема, как там указано, линейна, малошумна, практически не зависит от температуры.

Если я что-то не так понял - поправьте меня =)

Schrodinger

А ларчик просто открывался! =)
Спасибо Папа Карло за подсказку!
Вот осцилограмма линии питания -5 В:

Когда поставил конденсатор 0.1 мкФ между землёй и отрицательной шиной питания - проблема исчезла.

Барсик

Как насчёт блокировочных конденсаторов по питанию усилителя?
Фотографию макета - в студию!

Schrodinger

Вот фото макета:

С добавленным конденсатором 0.1 мкФ по питанию на линии -5 В.
А можно подробнее про блокировочные конденсаторы? На каком расстоянии от ножек питания их ставить? Как рассчитать ёмкость?

Папа Карло

Schrodinger писал(а): ... А можно подробнее про блокировочные конденсаторы? На каком расстоянии от ножек питания их ставить? Как рассчитать ёмкость?

Блокировочные конденсаторы ставятся как можно ближе к источникам помех. И при этом следует иметь в виду, что параллельно электролитам нужно ставить керамику, где-то на 0, 1 мкф. Расчёты в книгах, конечно есть, но всегда нужно знать что-то такое, чего в справочниках не найдёшь. Так что ставим, начиная с 10 мкф, и смотрим.

Schrodinger

Спасибо! =)

Барсик

Schrodinger писал(а):Вот фото макета

Ужос нах! Не удивительно, что Вы видите генерацию и прочую бяку.

Schrodinger писал(а):А можно подробнее про блокировочные конденсаторы?

Ставятся между выводами питания микросхемы и общим (землёй) как на плюс питания, так и на минус, в случае двухполярного питания. А ещё лучше ставить не только конденсаторы, но и резисторы 50 - 100 Ом, через которые и подавать питание на микросхему. Ёмкость конденсаторов - чем больше, тем лучше. Но в пределах разумного. Обычно ставят оксидные конденсаторы не менее 10 мкф и шунтируют их керамическими не менее 0,1 мкф.

Schrodinger писал(а):На каком расстоянии от ножек питания их ставить

Как можно ближе к ногам микросхемы.

Schrodinger писал(а):Как рассчитать ёмкость?

Не знаю. Но обычно выбирают в зависимости от применяемых микросхем.

Schrodinger

Барсик писал(а):Ужос нах! Не удивительно, что Вы видите генерацию и прочую бяку.

А что именно там неправильно: расположение элементов, длина проводников? Подскажите, как исправить, чтобы всё было по уму.

Барсик писал(а):А ещё лучше ставить не только конденсаторы, но и резисторы 50 - 100 Ом, через которые и подавать питание на микросхему.

Типа того?

Но ведь здесь резистор 50 Ом при потребляемом токе 25 мА погасит 1,25 В?

Adriano

Schrodinger
Расчет конденсаторов питания описывается в книге "Конструирование высокоскоростных цифровых устройств: начальный курс черной магии." Авторы: Джонсон Говард, Мартин Грэхем. Если не хотите вдаваться в детали почему блокировочная ёмкость такая, можете смело поставить 0,1 мкФ.

Если вы решили использовать классическую схему преобразователь ток-напряжение, то к ознакомлению: http://www.analog.com/media/en/technica ... S-2624.pdf

Так же материал по преобразователям ток-напряжение можно найти в книжке(если найдете трёхтомник, то материал присутствует в 1 и 2 томе): "Искусство схемотехники." Авторы: Хоровиц П., Хилл У.

Так же к прочтению: http://www.kit-e.ru/articles/usil/2009_02_46.php

По усилителю: в обязательном порядке делать ПП и упаковывать её в корпус с хорошим экраном, иначе гарантирую куеву тучу наводок, чуть ли не до того, что усилитель будет давать срабатывания на прошедшего мимо человека. Перед разводкой ПП прочитайте 1 том "начального курса черной магии"

Я создавал ранее в этом разделе тему: Усилитель слабого ИК. Может найдете что - то полезное. Сейчас сам вплотную занимаюсь усилителями и фотодиодами. Пока у меня всё никак не получается перейти от униполярного питания к биполярному... Сейчас собираю нормальный БП и сделаю новый усилитель.
Как показал личный опыт лучше классического преобразователя ток-напряжение нет ничего, остальное или ужасно генерирует, убивая генерацию убивается и динамический диапазон.

Schrodinger

Спасибо большое! Филиппа Хоббса читал, Хоровиц и Хилл описывают классическую схему, и по этим материалам я решил отказаться от резистора на землю на неинвертирующем входе. За статью от AD огромное спасибо - не натыкался на неё раньше, статья интересная и полезная, буду изучать. За личный опыт тоже спасибо! =)

Про книжку Джонсона и Грэхема не слышал, поищу и почитаю. Всё-таки, лучше схему сначала тщательно просчитать, а уж потом собирать и настраивать.