Усилитель сигналов с ИК-фотодиода на высокочастотном ОУ

[АлексЮстасу]

Добрый день, уважаемые форумчане.
Пишу с просьбой о помощи в анализе схемы усилителя сигналов, поступающих с инфракрасного фотодиода. Схема построена на основе ИК-фотодиода PD70-01B и высокочастотного усилителя TPH2502. Ссылки на даташиты прилагаются.
Сама схема была срисована с аналогичного устройства - приёмника ИК-сигналов. Схема прилагается в конце сообщения.
Вкратце о работе схемы. Сигнал в виде коротких (2-3 мкс) импульсов поступает на фотодиод VD1. Проходя через усилитель DA1A усиливается в 32 раза и поступает на усилитель DA1B, где усиливается в 33 раза. Далее усиленный сигнал (пачка импульсов) поступает на входы компаратора (на инверсный вход - через интегрирующую RC-цепь). Компаратор DA2 на своём выходе формирует аналогичные импульсы, только уже в удобном цифровом виде 0 или 1. Этот сигнал поступает в дальнейшем на микроконтроллер. Дроссель L1 отделяет аналоговую "землю" от питающей и цифровой.
По правде сказать, в аналоговой схемотехнике я разбираюсь не на высоком уровне. Знания сводятся к теоретическому освоению основных схем включения операционных усилителей.
По данной схеме интересует мнение специалистов. Почему в цепи ООС выбраны именно такие номиналы резисторов? Почему сигнал проходит через два усилителя, а не через один с коэффициентом 1056? Чем нужно руководствоваться при выборе конденсаторов в цепи ООС? Понимаю, что они срезают усиление в частотном диапазоне, но почему именно 246Гц и 639Гц? Ну и дополнительные дельные комментарии.
Хотелось бы досконально понять принцип работы схемы, чтобы по возможности улучшить устройство. То есть, увеличить дальность приёма ИК-сигнала, без усиления помех в усилительной цепи.
Буду рад любому дельному совету и комментарию.

[parovoZZ]

Мне что-то подсказывает, что в оригинальной схеме стоял фоторезистор. Для фотодиода, как источника тока, разумно использовать трансимпедансный усилитель.

[АлексЮстасу]

[uquote="parovoZZ",url="/forum/viewtopic.php?p=4090664#p4090664"]Мне что-то подсказывает, что в оригинальной схеме стоял фоторезистор. Для фотодиода, как источника тока, разумно использовать трансимпедансный усилитель.[/uquote]
Были идеи про трансимпедансный усилитель. Даже один собрал. Но получил не очень большую дальность приёма. Порядка 20-25 см, на сколько я помню.
Схема, представленная в первом посте выдаёт что-то порядка 2 метров. С применением линз на ИК-светодиоде в передатчике и фотодиоде приёмника расстояние приёма увеличивается примерно до 12-15 метров.
В этой схеме применяется именно ИК-фотодиод. Звонится мультиметром он именно как диод: 0,6В и бесконечность в обратном включении.
На всякий случай выкладываю фото данного элемента. На вид всё таки больше похож на фотодиод.

[mickbell]

[uquote="parovoZZ",url="/forum/viewtopic.php?p=4090664#p4090664"]Мне что-то подсказывает, что в оригинальной схеме стоял фоторезистор[/uquote]и, будучи фоторезистором, жутко тормозил. Фототранзистор туда. Ну или TSOP... - но для этого исходный луч должен быть с модулированной несущей: 36 кГц или около того, обычно во всяких ПДУ делают именно так. Но это - есть там ВЧ несущая или нет её - вопрос к ТСу.

[parovoZZ]

У TSOP свои костыли. Хотя я и не знаю полного ассортимента вишая, но те, что в быту, не позволяют принимать несущую сколь угодно долго.

[mickbell]

Да, к модулирующему сигналу есть свои требования - у TSOPов усилитель демодулированного сигнала не УПТ. ТС молчит, про сигнал мы ничего не знаем.

[FAKIR]

У TSOP свои костыли. Хотя я и не знаю полного ассортимента вишая, но те, что в быту, не позволяют принимать несущую сколь угодно долго.

Странное заявление...

В большинстве приложений ТSOP устраивает.

[parovoZZ]

Ну ТС же вкрячил туда ВЧ усилитель(с) зачем-то?

[АлексЮстасу]

[uquote="mickbell",url="/forum/viewtopic.php?p=4091279#p4091279"]Да, к модулирующему сигналу есть свои требования - у TSOPов усилитель демодулированного сигнала не УПТ. ТС молчит, про сигнал мы ничего не знаем.[/uquote]
Всем добрый день. Вчера весь день не было возможности воспользоваться компьютером.
По поводу сигнала и TSOP - этот вариант не подходит. С TSOP микросхемой работаю в другой разработке, там всё замечательно. Модулированный сигнал на частоте 36кГц, дальность приёма порядка 25-30 м.
В приведённой в первом посте схеме изделие принимает определённую посылку сигналов. И эта посылка имеет ограниченное количество импульсов, так для передатчика важно малое энергопотребление (работа от двух батареек АА 1,5В).

Ну ТС же вкрячил туда ВЧ усилитель(с) зачем-то?

"вкрячил", конечно, не совсем то слово, которое здесь применительно. Суть в том, что я бы хотел услышать какие-то хорошие советы и рекомендации касательно предоставленной схемы. А именно - обвязки ВЧ усилителя.
Сейчас собираю макет данной схемы, с разделением аналоговой и питающей "земель" и с питанием от линейного стабилизатора. Ранее схема питалась от стабилизатора, построенного на базе MC33063, с одной общей шиной земляного полигона. На выходе было много усиленной "грязи" и шумов.

[mickbell]

Если грязь сильно достаёт, то я обычно макет не делаю, а сразу заказываю прототип платы. Тем более что делать нынче двухсторонние платы - моветон, нужно минимум четыре слоя, причём сигнальные упакованы внутри слоёв питания-общего. Разумеется, надо выполнять общие рекомендации: по блокировочным конденсаторам (включая то, как именно их следует подключать, ну и правильный выбор номиналов с учётом частотных свойств самих конденсаторов), по правильной разводке общих проводов... много там всего, лениво перечислять. Короче, макетировать проводами не рекомендую, только время зря потеряете. Хоть ЛУТом двухслойку...
О "землях", точнее, общих проводах, которые соединены через дроссель. Непонятно, кто есть ху. На схеме УГО "заземление" показано только у этого дросселя и больше нигде, все остальные соединения - и питания (выводы блокировочных конденсаторов), и сигнальные (R4, C4, C6, ...) - через УГО "корпус". Вы что-то говорили ро разделение общих.

[АлексЮстасу]

[uquote="mickbell",url="/forum/viewtopic.php?p=4091619#p4091619"]Если грязь сильно достаёт, то я обычно макет не делаю, а сразу заказываю прототип платы. Тем более что делать нынче двухсторонние платы - моветон, нужно минимум четыре слоя, причём сигнальные упакованы внутри слоёв питания-общего. Разумеется, надо выполнять общие рекомендации: по блокировочным конденсаторам (включая то, как именно их следует подключать, ну и правильный выбор номиналов с учётом частотных свойств самих конденсаторов), по правильной разводке общих проводов... много там всего, лениво перечислять. Короче, макетировать проводами не рекомендую, только время зря потеряете. Хоть ЛУТом двухслойку...
О "землях", точнее, общих проводах, которые соединены через дроссель. Непонятно, кто есть ху. На схеме УГО "заземление" показано только у этого дросселя и больше нигде, все остальные соединения - и питания (выводы блокировочных конденсаторов), и сигнальные (R4, C4, C6, ...) - через УГО "корпус". Вы что-то говорили ро разделение общих.[/uquote]
Да, речь идёт о ЛУТе, двухслойка.
По поводу разделения "земель", представил только аналоговую часть. Ещё есть питание и цифровая (микроконтроллер с обвязкой). По сути на плате есть два земельных полигона: аналоговая земля и цифровая (и питающая). Оба полигона соединены через этот дроссель.
Меня вот очень интересуют номиналы цепи ООС усилителя. Так как эти номиналы подбирал не я. Они просто срисованы с оригинальной платы. Какой критерий выбора (кроме как требуемый коэффициент усиления)? Может есть что-то такое, что сразу бросается в глаза специалистам по аналоговой схемотехнике?

...Интересно, для кого на форуме существуют правила?! Нарушение пункта 2.7. Предупредил! As.

[mickbell]

[uquote="АлексЮстасу",url="/forum/viewtopic.php?p=4091628#p4091628"]Меня вот очень интересуют номиналы цепи ООС усилителя. Так как эти номиналы подбирал не я. Они просто срисованы с оригинальной платы. Какой критерий выбора (кроме как требуемый коэффициент усиления)? Может есть что-то такое, что сразу бросается в глаза специалистам по аналоговой схемотехнике?[/uquote]Предлагаю не подбирать, но рассчитывать. Потребуются входные данные. А именно, надо будет измерить выход вашего светодиода (размах сигнала на R4) в зависимости от расстояния до источника. В том диапазоне расстояний, что удастся измерить. Если данных хватит и они будут достоверные, то вы легко и непринуждённо рассчитаете эту схему сами. Мне пока лениво, вчера только из ковидария выписали. Как считать, подскажу. Но сначала добудьте данные.

[АлексЮстасу]

[uquote="mickbell",url="/forum/viewtopic.php?p=4091634#p4091634"]Предлагаю не подбирать, но рассчитывать. Потребуются входные данные. А именно, надо будет измерить выход вашего светодиода (размах сигнала на R4) в зависимости от расстояния до источника.[/uquote]
Хорошо, постараюсь сегодня-завтра эти данные получить. Посмотрю на осциллографе то, что удастся увидеть (сигнал там очень слабенький).

[mickbell]

Угу, измерьте, сколько сможете, и будем экстраполировать полученные данные на бОльшие расстояния. Ну и нужны (если уже есть - тыкните ссылкой) временнЫе характеристики сигнала. Я за темой не очень слежу, отсюда и просьба.

[АлексЮстасу]

Добрый день! Вчера провёл замеры сигнала на входе ОУ (на вывода 3 операционного усилителя относительно общего провода).
Сначала просто цифры:
Расстояние между передатчиком и приёмником, мм --- Амплитуда сигнала, мВ:
15 мм --- 1360 мВ;
20 мм --- 1000 мВ;
30 мм --- 640 мВ;
50 мм --- 320 мВ;
80 мм --- 160 мВ;
100 мм --- 120 мВ.
Далее сигнал уже на уровне шумов, на осциллографе смотреть там уже нечего.
Временные характеристики тестового сигнала: постоянная последовательность импульсов длительностью 2,3 мкс, с периодом 12,6 мкс.
Ниже прикрепляю полученные осциллограммы.
Расстояние 15 мм:

Расстояние 20 м:

Расстояние 30 мм:

Расстояние 100 мм:

Вид сигнала. Синий луч - передатчик; Жёлтый луч - приёмник (на выводе 1 компаратора - IrData):

[mickbell]

Туповат фотоприёмник, фронты никуда не годятся. Усилить это можно, конечно, но информация о соотношении длительностей нулей и единиц будет потеряна. Конечно, если там какое-то цифровое кодирование, оно пропадёт. Что-то надо думать в плане фотоприёмника.
Например, фотодиод в генераторном режиме нагрузить на нулевое входное сопротивление усилителя опять же на ОУ, и посмотреть, что получится по фронтам. На выходе этого усилителя надо добиться совпадения времён фронтов на осветителе и на выходе, если этого не сделать - хана затее, ИМХО.
PS. TSOP какой-нибудь вам никак не подойдёт?

[АлексЮстасу]

Микроконтроллер приёмника считает количество импульсов в пачке (3, 4, может с несколько разным периодом). От количества импульсов зависят настроенные в передатчике и приёмнике каналы. Если каналы совпадают (каналов не больше 4) и сигнал между передатчиком и приёмником проходит свободно - то всё отлично. Если каналы разные или сигнал от передатчика до приёмника не проходит (препятствие) - то МК даёт определённую команду.
По сути - комплект фотоэлементов. Думаю, суперкрутые фронты в приёмнике тут и не нужны. Главное - стабильный сигнал на выходе компаратора! Для этого надо избавиться от шумов и помех и грамотно усилить слабенький сигнал, который поступает на вход ОУ. Вот с настройкой цепи обвязки ОУ я и хотел бы разобраться. Чтобы не пальцем в небо и "методом научного тыка", а всё по уму.

Добавлено after 9 minutes 50 seconds:
[uquote="mickbell",url="/forum/viewtopic.php?p=4092674#p4092674"]PS. TSOP какой-нибудь вам никак не подойдёт?[/uquote]
TSOP-микросхема - хорошая штука. Применяю её в другой разработке. Но в данном изделии он не подойдёт по причине большого энергопотребления. Передатчик для TSOP-приёмника должен генерировать непрерывные пачки импульсов на частоте 36 кГц. А передатчик для рассматриваемого в этой теме приёмника должен быть как можно более "тихим" в плане энергопотребления. Послал передатчику 3-4 импульса и ушёл в режим сна, через невероятно долгие 15-20 мс (милисекунд) проснулся, снова отправил короткую посылку и снова спать.
Вообще, для меня было бы очень полезно разобраться с приёмом ИК-сигнала именно фотодиодом (не применяя специализированных микросхем), чтобы передавать посылки любой формы и частоты. А тут без хорошего усилительного тракта на ОУ не обойтись. Вот потому и обратился сюда за советом. С сигналом ладно, разберусь, мне бы грамотно усилить его на фоне шумов.

[mickbell]

Вернёмся немного назад.
[uquote="АлексЮстасу",url="/forum/viewtopic.php?p=4090650#p4090650"]Почему сигнал проходит через два усилителя, а не через один с коэффициентом 1056?[/uquote]Обратите внимание на параметр GBW опера (стр. 3 даташита). Это произведение усиления на ширину частотного диапазона для указанных в даташите условий. Кстати, опер шикарный. Тем не менее, и у него чем меньше усиление, тем шире полоса - в пределах указанного GBW. Усиление 30, как я себе понимаю, выбрано исходя из требуемой полосы частот.
[uquote="АлексЮстасу",url="/forum/viewtopic.php?p=4090650#p4090650"]Чем нужно руководствоваться при выборе конденсаторов в цепи ООС? Понимаю, что они срезают усиление в частотном диапазоне, но почему именно 246Гц и 639Гц?[/uquote]Это, как и вопрос про конкретные номиналы - к разработчику того, схему чего вы показываете.
Теперь о том, что касается дальности. Примерно понятно, как сигнал ослабевает от расстояния в ближней зоне. Возможно, дальше будет не так, но пока мы этого не знаем, поэтому временно считаем, что и дальше он ослабляется примерно так же, обратно пропорционально дальности в степени несколько больше единицы (я не считал). Прикиньте (опять скажем мудрёное слово "экстраполяция"), сколько микровольт выдаст ваш ФД на интересующем вас расстоянии, и будем охреневать от результата. Возможно, всё окажется не так страшно, и возможность реализации будет зависеть от тщательности конструктивного исполнения. В конце концов, не боги горшки обжигают: воспроизводящая головка обычного бытового магнитофона выдаёт какие-то милливольты при минимум 60 дБ уровне превышения сигнала над помехой.

[АлексЮстасу]

[uquote="mickbell",url="/forum/viewtopic.php?p=4092724#p4092724"]Обратите внимание на параметр GBW опера (стр. 3 даташита). Это произведение усиления на ширину частотного диапазона для указанных в даташите условий. Кстати, опер шикарный. Тем не менее, и у него чем меньше усиление, тем шире полоса - в пределах указанного GBW. Усиление 30, как я себе понимаю, выбрано исходя из требуемой полосы частот.[/uquote]
Спасибо, понял, что коэффициент усиление не резиновый и здесь он выбран из условий сохранения широкой полосы пропускания.
[uquote="mickbell",url="/forum/viewtopic.php?p=4092724#p4092724"]Вернёмся немного назад.
Прикиньте (опять скажем мудрёное слово "экстраполяция"), сколько микровольт выдаст ваш ФД на интересующем вас расстоянии, и будем охреневать от результата.[/uquote]
На днях соберу макет данной схемы на печатной плате, посмотрю, какие значения получатся у меня на тех же расстояниях.

[1en2]

я не совсем понимаю, что ТС-у надо и логику размышления над схемой, способы проверки....поэтому выскажу своё понимание, основанное на схемотехнике фотоприёмников от тв 3УСЦТ....Исходно нагрузка фотодиода должна быть высокоомной (напр., 200К-1М, а не 4К7), тогда имеем много мВ при малом изменении тока фотодиода, далее усилитель переменного тока (конденсаторы определяют макс длит импульсов без значительного ослабления, нижняя частота усиления при этом имеет косвенное отношение - уменьшает помехи от эл. источников света), имп. ток светодиодов в пульте ДУ при метровых расстояниях - около 500-1000 мА (если без доп. оптики, а только конструктивная, там тоже линзочки)...внешние помехи значительно влияют на высокоомную входную цепь, поэтому фотоприёмник - в экране, но и без фанатизма с 4х-слойной платой (в тв откл. система хорошо без экрана давала наводки, а плата былa однослойка)....