Усилитель сигналов с ИК-фотодиода на высокочастотном ОУ

[bolek]

...Исходно нагрузка фотодиода должна быть высокоомной (напр., 200К-1М, а не 4К7), тогда имеем много мВ при малом изменении тока фотодиода...

В даташите на фотодиод не указана его емкость, а от этого много чего будет зависеть. При емкости фотодиода 10 пФ и с нагрузкой 1МОм постоянная времени будет 10 мкс, что похоронит импульсы, нужные ТС (2-3 мкс).
Нагрузку можно увеличить, но не радикально, чтобы не завалить фронты.

[mickbell]

[uquote="АлексЮстасу",url="/forum/viewtopic.php?p=4092757#p4092757"]На днях соберу макет данной схемы на печатной плате, посмотрю, какие значения получатся у меня на тех же расстояниях.[/uquote]Будете выкладывать картинки - предлагаю сразу сделать три: выход с фотодиода, выход первого ОУ, выход второго ОУ. Пожалуй, надо бы ещё питание - с закрытым входом осциллографа, чтобы постоянка не мешалась, и чувствительность побольше. Я понимаю, что ваш осциллограф - не четырёхлучевой, как у меня на работе, поэтому в каждом случае обойдёмся двумя лучами: один - сигнал по списку, второй - питание. По какой дальности выкладывать картинки - смотрите сами.

[АлексЮстасу]

Всем добрый день.
Возвращаюсь к описанию своего проекта с анализом полученных данных. Надеюсь, наблюдатели и участники не потеряли интерес и снова подключатся к обсуждению.
Был собран макет представленной в первом посте схемы. Питание для фотодиода, ОУ и компаратора получается из двух линейных стабилизаторов: 12В -> 5В.
С применением линейных стабилизаторов удалось избавиться от нежелательных шумов и высокочастотных помех по цепи питания.
Был произведён замер дальности работы комплекта Передатчик-Приёмник. Далее представляю полученные осциллограммы.
К сожалению, получить картинки одновременно трёх сигналов (вход, выход-1, выход-2) и питание не получилось. При напайке проводов для подключения непосредственно к выводам ОУ в цепи наблюдались жуткие наводки. Поэтому выкладываю осциллограммы вида "Питание переменная составляющая" + "Сигнал с вывода ОУ". Сигнал с вывода ОУ получен прямым подключением щупа осциллографа, без дополнительных проводов.
Расстояние - 10 см:
- Вход ОУ (выв.3)
- Выход-1 (выв.1)
- Выход-2 (выв.7)
Расстояние - 20 см:
- Вход ОУ (выв.3)
- Выход-1 (выв.1)
- Выход-2 (выв.7)
Расстояние - 100 см:
- Вход ОУ (выв.3)
- Выход-1 (выв.1)
- Выход-2 (выв.7)
Расстояние - 200 см:
- Выход-1 (выв.1)
- Выход-2 (выв.7)
Промежуточные выводы.
Лучше всего работа ОУ видна на картинках "20 см Вход - Выход-1" и на картинках "100 см Выход-1 - Выход-2", а так же на "200 см". Наглядно можно заметить и посчитать усиление сигнала около 32-33, что и задаётся цепями ООС усилителя.
Сигналы на выходе компаратора.
На прямой вход компаратора поступает сигнал с выхода ОУ, на инверсный вход - тот же сигнал, только проинтегрированный через RC-цепь. На выходе компаратора получаются импульсы, аналогичные сигналу, поступающему на фотодиод, только уже в виде 0-5В, удобном для микроконтроллера.
Мне необходимо добиться уверенного приёма на расстоянии не менее 2м (без оптических линз на передатчике/приёмнике).
Заметил, что в случае с моим макетом срыв выходного сигнала с компаратора происходит при расстоянии около 1,5м. Ниже представляю осциллограммы сигналов на выводах компаратора.
Вид входных сигналов компаратора:
- жёлтый луч - инверсный вход; синий луч - прямой луч.
Порог срабатывания компаратора:
- жёлтый луч - прямой вход; синий луч - выход (пропадает при подключении щупа к прямому входу); сиреневый луч - уровень инверсного входа.
Порог несрабатывания компаратора:
- жёлтый луч - инверсный вход; синий луч - прямой вход; сиреневый - импульсы на выходе периодически пропадают.
Выводы.
Импульсы на выходе компаратора пропадают в тот момент, когда сигнал на прямом его входе становится слишком малым по уровню, чтобы компаратор мог определить разницу между прямым и инверсным входом. Для моего компаратора LM2903 по даташиту, как я понял, это параметр Напряжение насыщения (VOL - Saturation voltage) - 400мВ. Могу ошибаться, подскажите и поправьте, если это так. В моём случае как раз и получается, что сигнал на выходе пропадает на пороге 300-400 мВ входного сигнала прямого входа.
То есть, нужно либо устанавливать более чувствительный компаратор, либо дополнительно усиливать сигнал, увеличивая коэффициенты усиления ОУ.
Буду ждать ответы, тема становится для меня всё более интересной. Аналоговая схемотехника, как оказалось, очень любопытная и разнообразная стезя.

[mickbell]

Угу, кое-что видно. Впечатление такое, что блокировка по питанию выполнена как попало. Давайте глянем, что там. Покажите фото вашего устройства с обеих сторон и топологию платы.

[АлексЮстасу]

Выкладываю фото макета и вид топологии Top Layer.
- Фото спереди.
- Фото с обратной стороны.
- Топология, слой Top Layer.
Топологию с обратной стороны не выкладывал, там только два земляных полигона: GND (земля питания), AGND (аналоговая земля).
И полная схема изделия, так как нумерация элементов немного поменялась. Эта схема полностью соответствует топологии.

[1en2]

порог компаратора задан делителем R10-R11...уменьшите R10 до 1К, получите порог 30 мВ (если сейчас 300).

[АлексЮстасу]

Сейчас сам смотрю каким-то свежим взглядом на схему и думаю, что, возможно, кондёры C1, C2 стоит подключать не к аналоговой земле, а к земле по питанию...??

Добавлено after 1 minute 16 seconds:
[uquote="1en2",url="/forum/viewtopic.php?p=4096083#p4096083"]порог компаратора задан делителем R10-R11...уменьшите R10 до 1К, получите порог 30 мВ (если сейчас 300).[/uquote]
Вы про резисторы R12, R13?
Да, я вас понял. Схема имеет новую нумерацию. Спасибо за совет, попробую.

[1en2]

по последней - да, R12.........))))

[mickbell]

[uquote="АлексЮстасу",url="/forum/viewtopic.php?p=4096080#p4096080"]Эта схема полностью соответствует топологии.[/uquote]Давайте я вам расскажу, как выполняется подключение блокировочных конденсаторов. Для блокировки желательны SMD-конденсаторы. Подачу питания делают так: от линии или полигона питания ведут проводник к паду блокировочного конденсатора, потом (желательно от другой стороны пада) проводник идёт к лапе питания микросхемы, этот второй проводник должен быть как можно короче. Нельзя, чтобы конденсатор подключался к линии питания ответвлением (см. длинную кишку от C5 и C8 до вии), а выводной конденсатор желательно делать с максимально короткими линиями выводами. В случае двух и более конденсаторов требование подключать без "шлейфа" обязательно соблюдать хотя бы на самом "высокочастотном" конденсаторе, то есть меньшего номинала.
C1 и C2 подключены к аналоговому общему правильно.

[АлексЮстасу]

[uquote="1en2",url="/forum/viewtopic.php?p=4096088#p4096088"]по последней - да, R12.........))))[/uquote]
Да, манипуляции с этим резистором оказывают существенное влияние на работу компаратора.
Для пробы установил резистор 1кОм, дальность выросла (что-то около 3м, а то и больше, мой стенд рассчитан на расстояние 2,5м), но компаратор начал срабатывать от помех, идущих по цепи питания (по крайней мере, стал явно очень чувствительным).
С резистором R12 = 2,7кОм дальность получилась что-то в районе 2,4-2,5 м. Пороговая разность уровней на входах компаратора около 190мВ.
Буду ещё экспериментировать в этом направлении. Ну и с питанием надо, наверное, разбираться. Это уже после выходных. А на выходных тогда почитаю теорию по ОУ и компараторам.
Спасибо всем за отзывы и советы.

[mickbell]

Ещё одно замечание. Провод питания у вас тонкий и длинный, его бы тоже сделать полигоном - где место на плате осталось.

[АлексЮстасу]

[uquote="mickbell",url="/forum/viewtopic.php?p=4096135#p4096135"]Давайте я вам расскажу, как выполняется подключение блокировочных конденсаторов.[/uquote]
Спасибо за советы. Подробнее вникну чуть позже, сейчас уже пока нет времени. Попробую учесть ваши рекомендации.

[mickbell]

Я думаю, что со столь широкополосным ОУ это уже не советы и не рекомендации, а требования.
Добавлю ещё. К той вии, что ныряет вниз к полигону общего от блокировочного конденсатора, больше не подключайте никаких цепей. Вторую вию сделайте, если надо.