Ультрамалошумящий трансимпедансный усилитель, для фотодиода Опции

[smk]

Нужно собрать как можно наименее шумящий трансимпедансный усилитель. В настоящей конструкции на ОУ ОР07СР при Кус = 593 имеем "шумовую полоску" амплитудой до 5 мВ. Хотелось бы раз в 10 и более уменьшить шумовую составляющую т.к. она практически сопоставима с амплитудой полезного сигнала. Думал шумит фотодиод, заменил его резистором. Картина по шуму не изменилась совсем. Если важно, то сопротивление фотодиода 83 Ома. Экранировать пробовал. Данные уже по работе внутри алюминиевой коробки. Что можно предпринять? Спасибо.

[Tanya]

Нужно собрать как можно наименее шумящий трансимпедансный усилитель. В настоящей конструкции на ОУ ОР07СР при Кус = 593 имеем "шумовую полоску" амплитудой до 5 мВ. Хотелось бы раз в 10 и более уменьшить шумовую составляющую т.к. она практически сопоставима с амплитудой полезного сигнала. Думал шумит фотодиод, заменил его резистором. Картина по шуму не изменилась совсем. Если важно, то сопротивление фотодиода 83 Ома. Экранировать пробовал. Данные уже по работе внутри алюминиевой коробки. Что можно предпринять? Спасибо.

Непонятно, что Вы имеете в виду под Кус = 593 и сопротивление фотодиода 83 Ома. Вы также не указали желаемую полосу. Какой конденсатор стоит в обратной связи?

[smk]

Конденсатора в обратной связи нет. Был 220 пФ, но убрал. Изменений не заметил. Полоса шириной 100 Гц на центральной 4 кГц вролне устроит. 593 это коэффициент усиления, который нужен по факту пробного включения. Конечно можно и дугой, скажем от 400 до 700, но этот устроит вполне. Фотодиод освещается потоком, модулированным по амплитуде синусоидальным сигналом. От 0 до максимума отдачи источника.

[Tanya]

Конденсатора в обратной связи нет. Был 220 пФ, но убрал. Изменений не заметил. Полоса шириной 100 Гц на центральной 4 кГц вролне устроит. 593 это коэффициент усиления, который нужен по факту пробного включения. Конечно можно и дугой, скажем от 400 до 700, но этот устроит вполне. Фотодиод освещается потоком, модулированным по амплитуде синусоидальным сигналом. От 0 до максимума отдачи источника.

Вот никак не могу понять - коэффициент преобразования трансимпедансного усилителя измеряется в омах. Что означает 593? А что такое - сопротивление фотодиода? Почему Вы взяли ОР07? Он ведь не для этого... Схему бы нарисовали...
Так Вам нужен полосовой усилитель?

[smk]

Полосовой у меня после. 593 это значит, что при напряжении на диоде 1 мВ мы на выходе получим 593 мВ. Можете назвать просто инвертирующим усилителем на ОУ. Не суть. Мне важно чтоб не шумел. От диода реально микровольты какие-то при рабочем положении. Вот собственно нужно получить хотябы 5-10 мВ и далее фильтровать/усиливать...

[Tanya]

Полосовой у меня после. 593 это значит, что при напряжении на диоде 1 мВ мы на выходе получим 593 мВ. Можете назвать просто инвертирующим усилителем на ОУ.

Хотелось бы увидеть это...

. От диода реально микровольты какие-то при рабочем положении.

Он же ток выдает. У меня.

[smk]

[Tanya]

.............

Извините, рекомендую почитать литературу про это. Сначала.
Если не хотите читать, скачайте Tina-TI - там есть примеры.

[smk]

Например?

[Tanya]

Например?

http://www.analog.com/library/analogdialog...s_handbook.html

[Меджикивис]

Фотодиод в генераторном режиме?
А почему не пробовали включать его под обратным напряжением? - фототок останется тем же, зато развиваемое напряжение повысится значительно.

[smk]

Почитал. Нельзя сказать что много узнал нового. Вот только производитель рекомендует ОУ AD797 и основное внимание уделяет вольтовым шумам т.к. они вносят основную долю в общую шумовую картину. Завтра посмотрю что в закромах есть, попробую может что-то. Но в гигаом обратной связи что-то не верится.

Фотодиод в генераторном режиме?
А почему не пробовали включать его под обратным напряжением? - фототок останется тем же, зато развиваемое напряжение повысится значительно.

Производитель так и делает. Я когда-то спросил о полярности включения и мне ответили что ничего кроме полярности сигнала не поменяется. Попробую наоборот. У производителя кстати темновой шум 10 мВ.

[DS]

А чем Вам ad8610 не подходит ? При 4 Кгц частоты.

Фотодиод со смещением включают для того, чтобы уменьшить его емкость. Эта емкость входит в формулу для шума. ОДнако для 4 Кгц и 51 Ком шум должен определяться только резистором 50 Ком.

И шум надо измерять именно на частоте 4 КГц, Ваши милливольты скорее всего НЧ 1/f шум, который Вас не должен волновать если "4 КГц +- 100 Гц). Убейте его фильтром.

[smk]

А чем Вам ad8610 не подходит ? При 4 Кгц частоты.

Фотодиод со смещением включают для того, чтобы уменьшить его емкость. Эта емкость входит в формулу для шума. ОДнако для 4 Кгц и 51 Ком шум должен определяться только резистором 50 Ком.

И шум надо измерять именно на частоте 4 КГц, Ваши милливольты скорее всего НЧ 1/f шум, который Вас не должен волновать если "4 КГц +- 100 Гц). Убейте его фильтром.

CMOS имеет большие вольтовые шумы. Как раз смысл в том чтоб принять сигнал со светодиода который и представляет собой частоту в 4 кГц. И вот в полосе среди шума есть и эта составляюшая. По этому хотелось бы основной сигнал иметь уровнем по-выше шума в разы.

[DS]

CMOS имеет большие вольтовые шумы. Как раз смысл в том чтоб принять сигнал со светодиода который и представляет собой частоту в 4 кГц. И вот в полосе среди шума есть и эта составляюшая. По этому хотелось бы основной сигнал иметь уровнем по-выше шума в разы.

Надо JFET, а не CMOS. Шум у Вас должен быть около 30 нв/Гц1/2 на выходе при 50 КОмах. Вот и считайте - в полосе 100 Гц около Ваших килогерц будет около 0.3 мкв. И измерять их надо соответствующим образом, а не осциллографом.

[Меджикивис]

Фотодиод со смещением включают для того, чтобы уменьшить его емкость. Эта емкость входит в формулу для шума.

Это так, но думается мне, что на обратном смещении только за счет увеличения напряжения сигнала выигрыш окажется достаточен, чтобы об изменении емкости уже не задумываться.

Я когда-то спросил о полярности включения и мне ответили что ничего кроме полярности сигнала не поменяется.

Чтобы в полной мере использовать выигрыш от повышения напряжения сигнала, нагрузка должна быть высокоомной.
Поэтому лучше пересадить фотодиод на неинвертирующий вход (который- высокоомный).
Вот у Вас полярность и выправится.

Сообщение отредактировал Меджикивис - Apr 9 2014, 16:14

[smk]

Это так, но думается мне, что на обратном смещении только за счет повышения напряжения выигрыш окажется достаточен, чтобы об изменении емкости уже не задумываться.


Чтобы в полной мере использовать выигрыш от повышения напряжения сигнала, нагрузка должна быть высокоомной.
Поэтому лучше пересадить фотодиод на неинвертирующий вход (который- высокоомный).
Вот у Вас полярность и выправится.

Тоже такие мысли есть. И полярность поменять попробую и со входами поэкспериментирую. Хотя я не понимаю как входной ток в 4 нА может просадить диод, что звонится на 86 Ом в обе стороны. Диод кстати не рядовой, типа "острие науки".

Резистор в гигаом тоже найдется, но не факт что понадобится.

[DS]

Тоже такие мысли есть. И полярность поменять попробую и со входами поэкспериментирую. Хотя я не понимаю как входной ток в 4 нА может просадить диод, что звонится на 86 Ом в обе стороны. Диод кстати не рядовой, типа "острие науки".

Резистор в гигаом тоже найдется, но не факт что понадобится.

Это 3 мкм неохлаждаемый диод ? Или это фотовольтаический датчик ?

При таком внутреннем (86 ом) сопротивлении какой - такой трансимпедансный усилитель, Вы о чем ? На 50 - 100 омную нагрузку его, и обычным ОУ усиливать.

[Меджикивис]

звонится на 86 Ом в обе стороны.

???
Какой же это "диод", если в обе стороны звонится??

Я-то думал, что 86 Ом - это эквивалентное сопротивление, как источника сигнала.

А если он непосредственно "звонится" - то как его можно включать на обратном напряжении?
На обратном напряжении фотодиод должен быть заперт, а фототок чуть-чуть через барьер просачивается, его и ловим...
И сопротивление при этом надо ставить не гигаомы, а такое, чтобы темновой ток не был серьезно заметен, и частота не подавлялась бы (на большом сопротивлении будут высокие частоты давиться емкостью входа). Но у Вас частота не высокая.

[smk]

Интересу ради можно попробовать звонить его засвеченным. Я вообще о другом. Заменил я диод на резистор в 75 Ом. Шумы ну ничуть не изменились. Может ОУ шумит? Смысл в том чтоб на выходе 4 кГц обуславливались работой диода, а не чем-то еще. Может конечно оптики помогут и наконцентрируют на нем, но это пока перспектива. Да и все едино выжимать из электроники нужно по максимому.

Нагружать это значит параллелить резистором, я так понимаю? Как-то это не то если верить исследованию изготовителя. Они приводят классическую схему. Ту как я нарисовал, только диод наоборот. Ну и утверждают, что токовые шумы не превышают шумов диода на интересующем участке сопротивления, а вот вольтовые какраз выше и не дают добиться максимальной чувствительности.

[Меджикивис]

У Вас усиление по напряжению очень большое, поэтому и заметен шум ОУ.

На обратном напряжении (если иметь ввиду "нормальный" фотодиод) вам не нужно будет такого большого усиления - вместо него можно будет раскачать сигнал на высоком сопротивлении нагрузки.

Но у Вас там что-то странное....
А Вы точно уверены, что "острие науки" не подкачало, и что фотодиод попросту не пробит?

[smk]

У Вас усиление по напряжению очень большое, поэтому и заметен шум ОУ.

На обратном напряжении (если иметь ввиду "нормальный" фотодиод) вам не нужно будет такого большого усиления - вместо него можно будет раскачать сигнал на высоком сопротивлении нагрузки.

Но у Вас там что-то странное....
А Вы точно уверены, что "острие науки" не подкачало, и что фотодиод попросту не пробит?

Фотодиод не пробит. Есть новые, можно попробовать их. Длина волны там 2 мкм и неохлаждаемый. Есть подобные и на 3 мкм. Завтра попробую, но обратное вродебы не могло быть таким большим. Между входами ОУ много не бывает.

[Меджикивис]

Нагружать это значит параллелить резистором, я так понимаю?

Нет, последовательно.
Фотодиод (обычный) включается в запертом направлении, ток через него и через последовательное с ним нагрузочное сопротивление не проходит.
При освещении - начинает проходить, и на последовательном резисторе выделяется соответствующее напряжение, который сигнал и снимается.
И это напряжение сигнала в максимуме может доходить почти до напряжения, которым питается цепь фотодиода. Но ток по-прежнему мизерный, поэтому вход усилителя должен быть высокоомный.

Фотодиод не пробит. Есть новые, можно попробовать их. Длина волны там 2 мкм и неохлаждаемый. Есть подобные и на 3 мкм. Завтра попробую, но обратное вродебы не могло быть таким большим. Между входами ОУ много не бывает.

Надо уточнить у производителя. Какое обратное напряжение допустимо, если допустимо вообще.

Конечно, если Вы имеете дело со столь особенными штучками, лучший совет - придерживаться схемы, рекомендуемой производителем. К чему отклоняться от нее и наживать себе неизвестных геморроев.

[DS]

Интересу ради можно попробовать звонить его засвеченным. Я вообще о другом. Заменил я диод на резистор в 75 Ом. Шумы ну ничуть не изменились. Может ОУ шумит? Смысл в том чтоб на выходе 4 кГц обуславливались работой диода, а не чем-то еще. Может конечно оптики помогут и наконцентрируют на нем, но это пока перспектива. Да и все едино выжимать из электроники нужно по максимому.

Нагружать это значит параллелить резистором, я так понимаю? Как-то это не то если верить исследованию изготовителя. Они приводят классическую схему. Ту как я нарисовал, только диод наоборот. Ну и утверждают, что токовые шумы не превышают шумов диода на интересующем участке сопротивления, а вот вольтовые какраз выше и не дают добиться максимальной чувствительности.

Вы получаете усилитель шумов ОУ в 51000/75 = 680 раз. Вот отсюда и все остальные неприятности. Если у Вас шум фотоприемника (диодом его язык не повернется назвать) порядка шума этих 86 ом, то это что-то около 1 нв/Гц 1/2. Подключите свой фотоприемник к + входу какого-нибудь малошумящего на 4 Кгц (ad8671), и усиливайте в 50 раз. Только резистор между - входом и земдей не забудьте взять поменьше. Резистор на + входе желателен, вдруг внутреннее сопротивление нелинейно, будут искажения сигнала. Но если полупроводник почти вырожденный, то можно считать, что резистор уже внутри есть.
Если Ваш источник тока нагружен уже внутри на 80 ом, трансимпедансный усилитель бессилен.

Конечно, если Вы имеете дело со столь особенными штучками, лучший совет - придерживаться схемы, рекомендуемой производителем. К чему отклоняться от нее и наживать себе неизвестных геморроев.

Изделие наверняка отечественное, и у его разаработчиков могут быть свои тараканы, как должен быть устроен усилитель, основанные на опыте 30-летней давности.

[Меджикивис]

Изделие наверняка отечественное, и у его разаработчиков могут быть свои тараканы, как должен быть устроен усилитель, основанные на опыте 30-летней давности.

Мне кажется, это экспериментальные образцы. 4 мкм - это не кремний! У ребят пока еще не получился идеальный диод - велика утечка, эквивалентная 86 омам. При токе 4 пА, сигнал будет около 0.3 мкВ.
С чем я работал на практике - OPA177E, именно с литерой "E" - наивысшие характеристики. Но не уверен, что он на такое потянет... Наверное нужно что-то посовременнее.

А вообще, полоса попадает в область звуковых частот - может быть попробовать что-нибудь из микрофонных высокочувствительных усилителей.

Сообщение отредактировал Меджикивис - Apr 9 2014, 17:58

[DS]

Мне кажется, это экспериментальные образцы. 4 мкм - это не кремний! У ребят пока еще не получился идеальный диод - велика утечка, эквивалентная 86 омам. При токе 4 пА, сигнал будет около 0.3 мкВ.

Да на комнатной температуре и не получится. Конечно, это не кремний.

Вообще, до 2.6 мкм есть InGaAs диоды, которые и маленькую утечку имеют, и квантовый выход под 90%. Поэтому если Вам надо 2 мкм, связываться с чудо-техникой не стоит. 3 и дальше - это да. И при 4 КГц еще имеет смысл рассмотреть фоторезистивные датчики или пироприемники. Фотовольтаика хороша для гораздо более высоких частот.

[Меджикивис]

Дык может и исследование - о том, чтобы создать новый тип приемника. Откуда мы знаем, что они хотят.
Если автору поручили подключить именно ЭТО, то ему действительно нужен сверхмалошумащий усилитель, наилучший из того, что можно добиться без заморозки.

[smk]

Вы получаете усилитель шумов ОУ в 51000/75 = 680 раз. Вот отсюда и все остальные неприятности. Если у Вас шум фотоприемника (диодом его язык не повернется назвать) порядка шума этих 86 ом, то это что-то около 1 нв/Гц 1/2. Подключите свой фотоприемник к + входу какого-нибудь малошумящего на 4 Кгц (ad8671), и усиливайте в 50 раз. Только резистор между - входом и земдей не забудьте взять поменьше. Резистор на + входе желателен, вдруг внутреннее сопротивление нелинейно, будут искажения сигнала. Но если полупроводник почти вырожденный, то можно считать, что резистор уже внутри есть.
Если Ваш источник тока нагружен уже внутри на 80 ом, трансимпедансный усилитель бессилен.

Т.е. включить по схеме неинвертирующего усилителя с резистором последовательно диоду? Резистор единицы или десятки Ом?

[DS]

Т.е. включить по схеме неинвертирующего усилителя с резистором последовательно диоду? Резистор единицы или десятки Ом?

Нет, "диод" к + входу, ему параллельно резистор (можно сначала не ставить, проверить линейность и стабильность усиления без резистора).

[smk]

Нет, "диод" к + входу, ему параллельно резистор (можно сначала не ставить, проверить линейность и стабильность усиления без резистора).

Всяко попробовал. Реально меняется только полярность. К + подключал, даже хуже стало. Амплитуда упала в 1,5 раза. Это правда может быть из-за снижения усиления.

[DS]

Всяко попробовал. Реально меняется только полярность. К + подключал, даже хуже стало. Амплитуда упала в 1,5 раза. Это правда может быть из-за снижения усиления.

Нарисуйте, как Вы подключали, что-то мы о разном говорим, похоже.

[smk]

В нижнем варианте ставил резистор 95 Ом (что на землю). Усиление несколько упало из-за этого.

[yakub_EZ]

Нижнаяя схема не трансимпедансный усилитель. Просто неинвертирующий усилитель. Соответственно в таком случае режим работы - фотовольтаический.
А если менять полярность диода у первой схемы (трансимпедансной) то должна меняться только полярность сигнала.

[DS]

В нижнем варианте ставил резистор 95 Ом (что на землю). Усиление несколько упало из-за этого.

Усиление и должно упасть, оно задается отношением резисторов в обратной связи. Надо смотреть не усиление, а отношение сигнал-шум.

У Вас фотоприемник - это источник тока, которому впараллель включено 86 Ом. Они определяют коэффициент усиления по шуму ОУ в трансимпедансном включении.
Какой фототок Вы хотите регистрировать ?

Если усилитель не имеет знаительного токового шума по входу, обе схемы более-менее эквивалентны по шумам. Но вторая предпочтительна - легче под нее будет найти ОУ. И не ставьте коэффициентов усиления по напряжению больше сотни на каскад, чревато нестабильностью.

[smk]

Усиление и должно упасть, оно задается отношением резисторов в обратной связи. Надо смотреть не усиление, а отношение сигнал-шум.

Лучше не стало.

[DS]

Лучше не стало.

А если вообще без фотоприемника, шум во второй схеме соотвествует шумам ОУ ?

[smk]

А если вообще без фотоприемника, шум во второй схеме соотвествует шумам ОУ ?

Ставил резистор вместо диода. Картина по шуму не поменялась вообще.

[DS]

Ставил резистор вместо диода. Картина по шуму не поменялась вообще.

Не об этом вопрос - Возьмите паспортные данные на ОУ, пересчитайте на Вашу схему - соотвествует расчетная плотность шума тому, что Вы видите ?

[SNGNL]

Схему бы нарисовали...

И монтаж сфотографировали.

Ставил резистор вместо диода. Картина по шуму не поменялась вообще.

Самое время поставить резистор соответствующего номинала вместо ОУ.

[Iptash]

А если 2 фотодиода применить в диференциальном включении? И сбалансрованно будет...

[smk]

А если 2 фотодиода применить в диференциальном включении? И сбалансрованно будет...

Не совсем понял идею. Что будет сбалансировано?

[smk]

Подскажите как называется метод борьбы с шумом, когда один и тотже повторяющийся сигнал суммируется с предидущим так чтоб шум компенсировался, а полезный сигнал суммировался? Или как-то так.... простите за сумбурное пояснение. Спасибо.

[Tanya]

Подскажите как называется метод борьбы с шумом, когда один и тотже повторяющийся сигнал суммируется с предидущим так чтоб шум компенсировался, а полезный сигнал суммировался? Или как-то так.... простите за сумбурное пояснение. Спасибо.

Синхронное детектирование.

[_Vova]

накопление сигнала

[smk]

Почитал, оно. Хотелось бы узнать о практической стороне вопроса. Ну чтоб ближе к моей ситуации опишу так. Излучатель включается на 1 мС. Скважность 2%. Синхросигнал о включени излучателя поступает в приемник и запускает оцифровку принимаемого сигнала. Например у меня получилось 100 отсчетов. Я их складываю в буфер. При следующем синхросигнале я опять оцифровываю принимаемый сигнал и суммирую с уже имеющимся в буфере соблюдая последовательность (начало-конец). И так делаю какое-то количество раз пока не получу нужное отношение сигнал/шум. Я правильно все понимаю, кто такое уже делал подскажите. Спасибо.

[Tanya]

Я правильно все понимаю, кто такое уже делал подскажите. Спасибо.

Еще фон можно вычитать - 50 отсчетов до и 50 после импульса.

[smk]

Еще фон можно вычитать - 50 отсчетов до и 50 после импульса.

Кстати да.