Уважаемые коллеги!
Нужен Ваш совет.

Досталась схема трансимпедансного усилителя на OPA380, собранного по стандартной схеме (см.внизу). Питание однополярное +5V. Диод S8376-05, ёмкостью 12p (при 5V приложенного отрицательного напряжения). На неинвертирующий вход операционника с REFки подано напряжение для смещения входов и работы на слабых сигналах.

Приветствуется широкая полоса пропускания – как можно шире.
На вход поступают импульсы пилообразной формы. На "пиле" есть "провалы" - поглощение излучения веществами, в разных местах.
Схема хорошо работает, правильно отражает провалы от разных веществ (правда, много шумов высокочастотных, но они цифровым способом усредняются).

ПРОБЛЕМА в том, что в зависимости от мощности приходящего сигнала получаю импульсы напряжения на выходе с НЕПРОПОРЦИОНАЛЬНОЙ этой мощности амплитудой. Это различие составляет около процента, несколько процентов – что не приемлемо.

ПОЯСНЮ: фотодиод стоит в фокусе объектива. Когда световой поток полностью через объектив попадает на фотодиод, то напряжение в провале (на пиле сигнала) падает на 10 условных единиц (для примера), в то время как на верхушке пилы оно 100 у.е., когда же я загораживаю часть объектива, и на фотодиод попадает меньшая мощность, то на верхушке 50 у.е., а все тот же провал составлет уже 4 у.е., таким образом отношение "провала" к "верхушке" НЕ сохраняеться...результаты изменились не пропорционально. Уменьшая дальше мощность излучения (загараживая объектив больше) получим 20у.е. на "верхушке" и на 3у.е. провал - т.е. тенденция поменялась

Прошу помочь разобраться в физике процесса (постоянная времени RC тут никак не подходит ). Может ли это быть связано с фотодиодом или с операционником, и как от этого избавиться, как сделать систему линейной?
Размах напряжения на выходе усилителя от 2V до 5V.

И еще вопрос – кто как мерил нелинейность трансимпедансного усилка и системы фотодиод –трансимп.усилитель? Чем можно заменить фотодиод для экспериментального исследования нелинейности усилителя (его выходное сопротивление 300М)? строить самому источник тока с таких выходным сопротивлением и токами наноамперы?

Как решали подобные вопросы уважаемые разработчики?

Сообщение отредактировал Dmitry_Ternovsky - Oct 7 2009, 23:59

Дык а что Вы хотите, работая в нелинейной зоне вблизи насыщения выходного каскада?
На первой же картинке в даташит написано VOUT (0V to 4.4V), далее
"Voltage Output Swing from Positive Rail RL = 2kΩ 400 600 mV"
Уменьшите резистор в цепи обратной связи.

Второй источник нелинейности - напряжение смещения, но его прикинуть его влияние в цифрах я сейчас не в состоянии, да и данных недостаточно.

Нелинейная зона только вблизи выходного напряжения 4.4V и выше, а "провалы" от поглощения света смотрим в середине пилы, когда напряжение на выходе 2-3V, сваливается до уровня 1V, потом опять возрастает уже до 3.5-4V и продолжает линейно нарастать, но эта область уже не интересна.

А за подсказку о изменении напряжения смешения спасибо! Но мне кажется, вклад ее не велик - в ДШ указано 25uV максимально, а мы пока смотрим миливольты, хотя далее потребуется ее учитывать.
Только получается что надо увеличить резистор обратной связи, тогда коэффициент преобразования ток-напряжение будет больше и слабое изменение световой мощности выразится в большом изменении напряжения на выходе, и дрейф напряжения смещения будет менее заметен на фоне большого изменения полезного сигнала.

Dog Pawlowa, а распологаете ли вы информацией о нелинейности фотодиода (зависимости от приходящей мощности) ?

Сообщение отредактировал Dmitry_Ternovsky - Oct 8 2009, 07:39

Я плохо воспринимаю на слух описания провалов и подъемов, тем более не совсем здоров сейчас.
Видимо ночью я был вообще не в себе, пропустив явную ошибку в Вашей схеме. Сравните ее со схемой, приведенной на листе 7 даташит. Откуда появилоь смещение последовательно с диодом?


Хм, как разработчик входившего в тройку самых популярных в мире цветоанализаторов для фотопечати, я имею некоторое представление об измерении света Нелинейности фотодиода от приходящей мощности не существует. Есть нелинейность, вызванная темновым током, которая наблюдается в области малых фототоков. У Вас диод Hamamatsu, вроде бы. Это хороший прибор, темновой ток у него малый и навскидку влиять не должен.

Да, напряжение смещения усиливается тем же операционником

Насколько я понимаю, в схеме, которую Вы указали, есть напряжение смещения +2 В. Это напряжение будет приложено и к фотодиоду, и предназначено оно для компенсации постоянного фототока (ну ещё темнового тока). Отсюда первый момент: если Ваш сигнал переменный, то измеряйте "провал" не в абсолютных величинах, а в относительных, относительно амплитуды "пилы". И второй момент, Ваша засветка должна быть такой величины, чтобы компенсировать ток, создаваемый Вашими +2 В смещения, да ещё и быть постоянной. Если засветка изменится, то возможен момент, когда напряжение смещения +2 В даст такой компенсирующий ток, что он в свою очередь не только компенсирует ток засветки, но и частично полезный фото ток. И тогда также будет видна нелинейность, причём этот момент явно будет проявляться при выходных напряжениях, близких к напряжению смещения +2 В. Я бы В Вашем на не инвертирующий вход подал землю. А так как у Вас сигнал переменный, то на выходе поставил бы ФВЧ, чтобы избавиться от напряжения смещения ОУ и тому подобных медленно меняющихся процессов.
P.S. Если у Вас стоит объектив, то внимательно смотрите за величиной освещённости поверхности фотодиода. Там есть режим насыщения, так как характеристика фототока от освещённости нелинейна (по экспоненте).

Потрудитесь почитать общедоступные ресурсы прежде чем писать подобную фигню.

"зависимость фототока от освещённости, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещённости"

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%BE%...%B8%D0%BE%D0%B4

Да Вы что, а я-то думал...
Пример: пятно излучения мощностью 10 мВт и диаметром 5 мм. Начинает уменьшать диаметр, освещённость увеличивается. И что, фототок вообще не изменится? При достижении определённой освещённости начнётся уменьшение фототока. А в самом конце уже будет выход из строя фотодиода. Вот о каком насыщении я говорил. И это особенно важно при фокусировке излучения на фотодиоде. Надо рассматривать размер итогового пятна с учётом защитного стёклышка и максимальной величины регистрируемой оптической мощности.

Стесняетесь признаться, что про экпоненту фигню написали и приплели вариант выжигания фотодиода лазером?
Не стоит, тут все свои

Поясняю ещё раз. Ничего я не приплетал. Я сам лично на стенде экспериментировал с фотодиодами и снял эту характеристику. Больше скажу, величины освещённости, приводящие к нелинейности или выжиганию, отличаются на несколько порядков, поэтому с этим вопросом нужно быть очень внимательным. Даже при 10 мВт можно спокойно уйти в нелинейную область (вопрос количественной величины нелинейности сейчас не рассматривается), хотя сжечь фотодиод при такой мощности будет очень не просто. Так что вот так.

Cовершенно верно. Только экспонента не при чем. Просто есть плотность тока, выше которого начинается сильная нелинейность - насыщение.

Нелинейность ТИ легко достигается порядка 10-4, дальше сложно.
Это что за фотодиод, что-то я его найти не могу. Судя по назанию, Hamamatsoвский с 5мм площадкой, но у них в каталоге нету.

Судя по всему источник - диодный лазер с модулящией током, тогда нежелательно ставить перед фотодиодом объектив. Конечно, будет нелинейность. И вообще, при когерентном излучении при наличии в системе параллельных плоскостей в оптических элементах интерференция в несколько процентов - дело обычное.

Да, еще - каковы характерные временные характеристики Ваших "пичков" ? Ваша схема ТИ, вообще говоря, частотно зависима, так что и от этого может быть вклад.

Мне вообще интересно, а кто-нибудь знает, какой вклад вносит спел-картина (хотя бы сколько процентов от сигнала), образующаяся на поверхности фотодиода? Ведь в определённых участках пятна ("ярких точечках") явно превышена освещённость.

спеКл

Нет, повышение незначительное. Могут быть провалы почти до 0, поэтому соседние точки кажутся очень яркими. Подумайте, насколько можно повысить яркость в точке при интерференции когерентного пучка с самим собой, и при каких условиях это может произойти.

Автор привел схему. Резистор обратной связи 1 МОм. Это значит, фототок 3 мкА. Это приблизительно на три порядка меньше тока, который будет при 10 мВт.

Но если он постарался и сфокусировал свет лазера в точку 10 мкм - а это не очень сложно, то плотность тока вырастет в 25 000 раз, и соответственно, будет эквивалентна общему току 75 ма, что уже, конечно, находится в области нелинейности.

Что ж, придет автор и рассудит, судя по описание, как он прикрывал свет до объектива рукой, это маловероятно.