трансимпедансный усилитель для лавинного фотодиода, помогите, пожалуйста, найти ошибку в проектировании усилителя на 6 МГц Опции

[Alexander889]

Добрый день!

Передо мной встала следующая задача. Собрать усилитель сигнала лавинного фотодиода AD500 http://www.mouser.com/ds/2/313/AD500-8-TO52-S1-14890.pdf. И принять сигнал модулированный меандром 6МГц световой поток от мощного светодиода (3 Вт) на расстоянии до 50 м.

Сначала я собрал элементарную схему Источник питания 150 Вольт ПЛЮСОМ к катоду фотодиода, далее к резистору 400 кОм и резистор на МИНУС источника. Подключаю осциллограф и смотрю сигнал на резисторе - синус 5 Вольтовой амплитуды при достаточно большом расстоянии от светодиода (около 2-3 м).

Хорошо. Теперь тот вывод фотодиода, что шел на резистор подключаю ко входу трансимпедансного усилителя с сопротивлением 5 кОм в обратной связи. Теперь ожидаю, что у меня 5 Вольтовый синус на его выходе появится уже на значительно бОльшем удалении от светодиода. Усилитель ad8032 http://www.analog.com/media/en/technical-d...AD8031_8032.pdf. 80МГц

Но на практике сигнал с усилителя даже слабее чем с простого нагрузочного резистора (что я описал выше). НО есть одна зацепка, при понижении частоты модуляции сигнал возрастает. Делаю вывод о влиянии входной емкости - 1,6 пф. Понижаю резистор в обратной связи до 300 Ом. Никакого значительного эффекта.

Про насыщение усилителя темновым током знаю, учел. Специальный усилитель OPA857 тоже пробовал и такой же завал ВЧ. А нужно то всего 6-12 МГц Что сделать для повышения усиления на больших частотах.

Прошу уважаемых посетителей форума подсказать решение этой проблемы или какую микросхему взять или "куда копать" в поисках ошибки.
Заранее спасибо!

[Парус]

Усилитель включите в режиме повторителя!

[Herz]

Хорошо. Теперь тот вывод фотодиода, что шел на резистор подключаю ко входу трансимпедансного усилителя с сопротивлением 5 кОм в обратной связи. Теперь ожидаю, что у меня 5 Вольтовый синус на его выходе появится уже на значительно бОльшем удалении от светодиода.

На каком основании? Вы уменьшили усиление в 80(!) раз и ожидаете увеличения выходного сигнала?

[Alexander889]

На каком основании? Вы уменьшили усиление в 80(!) раз и ожидаете увеличения выходного сигнала?

Тот описанный выше нагрузочный резистор 400 ком не стоял в цепи обратной связи. Он был просто нагрузкой фотодиода. И я его убрал. А вы предлагаете в обратную связь 400 ком поставить?

[MegaVolt]

AD8015?

И первоначальную схему бы на бумажке нарисованную.

[Парус]

Тот описанный выше нагрузочный резистор 400 ком не стоял в цепи обратной связи. Он был просто нагрузкой фотодиода. И я его убрал.

Зачем?

[Alexander889]

Зачем?

1) Хорошо, я так делал, только резистор 470 ком и фотодиод наоборот стояли (поменяны местами были). но мой ad8032 и в этой схеме почему то заваливает 6 мгц так что, повторюсь, выход оу слабее чем сигнал с резистора. Почему??
2) Если так делать, то зачем тогда трансимпедансный усилитель?

AD8015?

И первоначальную схему бы на бумажке нарисованную.

Спасибо! У ad8015 входная емкость 0,2 пф, поэтому советуете? Схему завтра выложу

Сообщение отредактировал Alexander889 - May 30 2018, 00:03

[Парус]

Посмотрел внутреннюю схему ОУ, вход имеет недостаточно высокое сопротивление.
Попробуйте поставить промежуточный каскад.
прототипы BF599, KSC2757

Эскизы прикрепленных изображений

 

[yakub_EZ]

По моим расчётам 5 вольтовый размах сигнала эквивалентен размаху фототока 5/400е3= 12,5 мкА (i=u/r).
Тот же размах фототока преобразованный трансимпедансником 5к должен дать 12,5е-6*5е3= 62,5 мВ (u=i*r) что в 80 раз меньше и сходится с вашими показаниями.
Сейчас вам лучше всего поднять лавинное усиление до максимально возможного. Т.е поднять напряжение до почти порядка 200 вольт до приемлемого вам соотношения лавинного шума. Ну а дальше выбрать что понравится - оставить нагрузочное сопротивление и усиливать сигнал с него, либо прибегнуть к трансимпедансному усилению.

[prig]

Тот описанный выше нагрузочный резистор 400 ком не стоял в цепи обратной связи. Он был просто нагрузкой фотодиода. И я его убрал. А вы предлагаете в обратную связь 400 ком поставить?

1) Хорошо, я так делал, только резистор 470 ком и фотодиод наоборот стояли (поменяны местами были). но мой ad8032 и в этой схеме почему то заваливает 6 мгц так что, повторюсь, выход оу слабее чем сигнал с резистора. Почему??
2) Если так делать, то зачем тогда трансимпедансный усилитель?

...

Комментить не хочется. Хочется то ли заплакать, то ли ...

М.б. Вам лучше начать с некоторых базовых принципов, потом как следует вкурить тему фотоприёмников, и только потом начинать вопросы задавать?
Тем более, тема фотоприёмников и их "обвязки" может иногда становиться крайне деликатной. Так что, Вы поосторожней с ней.

П.С.
И за что Вы так товарищем Герцем? Таки, уважаемый человек.
Таки, прежде, чем бухнуть ответ, стоило бы попытаться понять смысл его послания.

[rudy_b]

Почитайте тут.

[yakub_EZ]

Почитайте тут.

Статья - бред теоретика! Зачем вообще эти учёные мужи полезли в чужую тему. Занимались бы информационной безопасностью, безопасней бы было всем.
Очень поразил полученный динамический диапазон и расчёт ёмкости обратной связи. Видно, что считали впервые и даже не удосужились проверить. Поэтому остальные выводы статьи для меня под вопросом, много спорных решений.
Для справки - правильный ответ для полосы 100 МГц и для Rf 12 килоом - 0,2 пика не учитывая входную ёмкость ОУ, но не 2 нФ!

[prig]

Статья - бред теоретика! Зачем вообще эти учёные мужи ...
, но не 2 нФ!

Дык, этот учёный муж - китайский аспирант, считай студент. А проф статью вообще не читал.
Похоже, в тему студент въехать пытался, но с ёмкостью фотодиода ошибся на 3 порядка.
А дальше просто сообразилки не хватило, что с этими 2 нФ что-то явно не так.

...
Для справки - правильный ответ для полосы 100 МГц и для Rf 12 килоом - 0,2 пика не учитывая входную ёмкость ОУ, но не 2 нФ!

Строго говоря, правильный ответ зависит от рабочих режимов фотодиода, "паразитов" и х-к ОУ.
И далеко не для всех сочетаний эти 100 МГц достижимы, даже если полосы ОУ хватает.

[SSerge]

Кому не нравятся китайские аспиранты могут почитать
http://www.analog.com/ru/education/educati...nditioning.html
в главе 5 есть про усилитель сигнала с лавинного фотодиода.
перевод:
http://www.autex.spb.su/sensor99.php

[MegaVolt]

У ad8015 входная емкость 0,2 пф, поэтому советуете?

Я его советую потому что он готовый трансимпедансный усилитель в котором резистор уже встроен.
А так же потому что им удавалось вытащить сигналы на уровне 0,5 нВт по свету.
Правда у него выход по моему до 1В.

Но как верно сказали товарищи выше. В вашем первом усилителе было усиление 400к. Даже с 8015 будет 10к т.е. в 40 раз меньше.

И по сути если вас устроила схема с резистором то её же и стоит оставить. Зачем после неё усилитель не понятно. У вас мощность сигнала просто отличная.

[SSerge]

В вашем первом усилителе было усиление 400к.

Кроме резистора там была ещё входная ёмкость щупа осциллографа порядка 13..15 пФ, на 6 МГц у неё импеданс гораздо меньше чем 400 кОм.

И по сути если вам устроила схема с резистором то её же и стоит оставить. Зачем после неё усилитель не понятно. У вас мощность сигнала просто отличная.

Это на паре метров отличная, автор хочет видеть сигналы с расстояния до 50 метров.

[MegaVolt]

Кроме резистора там была ещё входная ёмкость щупа осциллографа порядка 13..15 пФ, на 6 МГц у неё импеданс гораздо меньше чем 400 кОм.

Да она портила усиление.

Это на паре метров отличная, автор хочет видеть сигналы с расстояния до 50 метров.

Пока нету расчёта не понятно до скольки нужно усиливать. Может и компаратора хватило бы.

[Herz]

2) Если так делать, то зачем тогда трансимпедансный усилитель?

А Вы понимаете принцип работы трансимпедансного усилителя? На всякий случай: это преобразователь тока в напряжение. С коэффициентом преобразования, равным сопротивлению в обратной связи. Почитайте букварь.

[rudy_b]

Статья - бред теоретика! ...

В чем-то справедливо. Но в ней правильно показано, как нужно подключать ФД, как компенсировать его ток утечки, на какой вход опера подключать ФД и как делать в нем ОС. Остальное - додумает сам ТС.

[AVR]

Схему завтра выложу

Хм... интересная тема, похожая задача предстоит. Ждем схему, да хоть на листочке от руки сфотанную.
Я в подобных задачах совершенно не разбираюсь, но казалось что такая задача не должна составлять особую сложность, тем более до 6 МГц всего и 50 метров. Есть же передача данных по воздуху оптика, там наводят оси, несколько километров, сотня мегабит... Но там лазеры конечно.

[MegaVolt]

как компенсировать его ток утечки

Что то не нашёл про компенсацию . Подскажите где там про это сказано?

[rudy_b]

ФД нагружен не на резистор, а на диод D2. Правда ничего не сказано про то, чему равно VCC, но нет в жизни совершенства. Но, по уму, должна быть еще и дополнительная ОС по постоянке или разделительная емкость, которой нет в этой схеме.

[MegaVolt]

ФД нагружен не на резистор, а на диод D2. Правда ничего не сказано про то, чему равно VCC, но нет в жизни совершенства.

Век живи век учись. Я думал диод для защиты операционника от напряжения больше питания....

Но, по уму, должна быть еще и дополнительная ОС по постоянке или разделительная емкость, которой нет в этой схеме.

Может небольшая лишняя постоянка на выходе не мешает работать никому. Или учитывается как поправка.

[rudy_b]

Трудно сказать что имел ввиду автор схемы. Но нагрузка ФД на диод используется для компенсации сильно изменяющихся токов утечки или постоянной засветки - своего рода простенькое АРУ по постоянному току. Входное сопротивление опера в режиме инверсии намного меньше динамического сопротивления этого диода, поэтому на коэффициент усиления по переменке он практически не влияет.

[Alexander889]

А Вы понимаете принцип работы трансимпедансного усилителя? На всякий случай: это преобразователь тока в напряжение. С коэффициентом преобразования, равным сопротивлению в обратной связи. Почитайте букварь.

Это я понимаю. Но в принципе резистор тоже преобразователь тока в напряжение. Чем трансимпедансный усилитель лучше резистора?

[MegaVolt]

Но нагрузка ФД на диод используется для компенсации сильно изменяющихся токов утечки или постоянной засветки - своего рода простенькое АРУ по постоянному току.

Как работает эта схема? Ведь диод заперт? Максимум что мы имеем это токи утечки обратносмещённого PN перехода. Как используя их можно что-то застабилизировать?

Это я понимаю. Но в принципе резистор тоже преобразователь тока в напряжение. Чем трансимпедансный усилитель лучше резистора?

Тем что падение напряжения на нём в идеале нулевое. Т.е. резистор в цепи лавинника при протекании тока имеет падение которое вычитается из напряжения смещения лавиниика что уменьшает его усиление. А при трансимпеданснике такого эффекта нет.

[yakub_EZ]

Это я понимаю. Но в принципе резистор тоже преобразователь тока в напряжение. Чем трансимпедансный усилитель лучше резистора?

1. Тем, что позволяет держать стабильный режим фотодиода. В случае с ЛФД на этом резисторе падает напряжение, а на ЛФД оно снижается. При снижении напряжения ЛФД падает его лавинное усиление (M). Но в вашем случае, когда напряжение велико и падение напряжения незначительно сказываются на режиме применение резистора, возможно, оправданно. Вот когда лавинное зависит экспоненциально и составляет например 40 вольт, то резистор вообще не вариант.
2. Позволяет согласовать входной/выходной импеданс со следующим каскадом. Выход трансимпедансника низкоомный, а нагрузочный резистор надо буферизовать.
Ну и ещё немного про частотную зависимость для высокоомного резистора учитывая его ёмкость. Полоса снимаемая с резистора определяется как его RC. Если резистор 0,2 пФ (типовая емкость SMD элементов) и сопротивление 400 кОм. То -3 дБ будет 1/(2*3,14*400е3*0,2е-12)= 2 МГц. И это не учитывая входную ёмкость следующих каскадов, щупов и др.
Я вам советую выжать как можно больше на лавинном усилении, а затем уже думать, насколько нужно усилить электрический сигнал

[Alexander889]

1. Тем, что позволяет держать стабильный режим фотодиода. В случае с ЛФД на этом резисторе падает напряжение, а на ЛФД оно снижается. При снижении напряжения ЛФД падает его лавинное усиление (M). Но в вашем случае, когда напряжение велико и падение напряжения незначительно сказываются на режиме применение резистора, возможно, оправданно. Вот когда лавинное зависит экспоненциально и составляет например 40 вольт, то резистор вообще не вариант.
2. Позволяет согласовать входной/выходной импеданс со следующим каскадом. Выход трансимпедансника низкоомный, а нагрузочный резистор надо буферизовать.
Ну и ещё немного про частотную зависимость для высокоомного резистора учитывая его ёмкость. Полоса снимаемая с резистора определяется как его RC. Если резистор 0,2 пФ (типовая емкость SMD элементов) и сопротивление 400 кОм. То -3 дБ будет 1/(2*3,14*400е3*0,2е-12)= 2 МГц. И это не учитывая входную ёмкость следующих каскадов, щупов и др.
Я вам советую выжать как можно больше на лавинном усилении, а затем уже думать, насколько нужно усилить электрический сигнал

Спасибо! Посоветуйте, пожалйста, микросхему для построения трансимпедансного усилителя, которая была бы способна работать на 6МГц (или больше) с ЛФД и давать усиление 400000. Подозреваю, что кроме частотного диапазона имеет значение входная емкость, так?

[=L.A.=]

Спасибо! Посоветуйте, пожалйста, микросхему для построения трансимпедансного усилителя, которая была бы способна работать на 6МГц (или больше) с ЛФД и давать усиление 400000. Подозреваю, что кроме частотного диапазона имеет значение входная емкость, так?

*
Не существует микросхем с усилением 400 тысяч на частоте 6 МГц. Самые шустрые ОУ типа LM7171 дадут на 6 МГц усиление ~30 дБ (30 раз), микросхема усилитель ПЧ ЧМ приемников 174УР3 дает 60 дБ (1000 раз по напряжению) на частоте 6,5 МГц (ПЧ звука в телевизоре).

[Alexander889]

*
Не существует микросхем с усилением 400 тысяч на частоте 6 МГц. Самые шустрые ОУ типа LM7171 дадут на 6 МГц усиление ~30 дБ (30 раз), микросхема усилитель ПЧ ЧМ приемников 174УР3 дает 60 дБ (1000 раз по напряжению) на частоте 6,5 МГц (ПЧ звука в телевизоре).

Хорошо, что тогда делать? Использовать несколько каскадов?

И еще: как то же люди собирают сигналы на частоте даже 200 МГц. Даже китайский лазерный дальномер излучает и принимает синус на 190-210 МГц без особых усилий. Я же не могу банальные 6 МГц принять на расстоянии больше 2 метров. Может быть я вообще что-то неправильно делаю? Может быть в оптике дело? Я не использую никаких линз. Поделитесь опытом!

[Herz]

6МГц это не так уж банально. И лазер со светодиодом - всё-таки разные вещи. Особенно без линз. А нужное усиление да, достигается хотя бы двумя каскадами. Первый Вам нужен как быстродействующий буфер, второй - для усиления по напряжению до нужной величины. Линзы понадобятся обязательно, ведь Вы хотите дальность до 50м?

[AVR]

6МГц это не так уж банально. И лазер со светодиодом - всё-таки разные вещи. Особенно без линз. А нужное усиление да, достигается хотя бы двумя каскадами. Первый Вам нужен как быстродействующий буфер, второй - для усиления по напряжению до нужной величины.

Не знаю, реальное ли это оборудование, но тут пишут про 1000 МГц (видимо с модуляцией оно больше): http://www.optica.ru/?page=optica_21LAN3.htm - расстояние 3000 метров. Да, там лазеры.

Линзы понадобятся обязательно, ведь Вы хотите дальность до 50м?

Какие линзы смогут собрать в кучку свет от светодиода, пусть даже очень мощного, с расстояния 50 метров? Я предполагаю, нужны некоторые пары линз с управляемым фокусом. Существуют ли подобные готовые решения? Или нужно городить своё с моторчиками? А линзы под заказ делать, например полимерные, как в очках.

[Herz]

Какие линзы смогут собрать в кучку свет от светодиода, пусть даже очень мощного, с расстояния 50 метров? Я предполагаю, нужны некоторые пары линз с управляемым фокусом. Существуют ли подобные готовые решения? Или нужно городить своё с моторчиками? А линзы под заказ делать, например полимерные, как в очках.

Линзы нужны на обеих сторонах. Обыкновенные, без всяких моторчиков. Например, для хороших фонариков 50м - пустяк.
Впрочем, автор свою задачу, как водится, не раскрыл, поэтому гадать по поводу оптической схемы преждевременно.

[AVR]

Линзы нужны на обеих сторонах. Обыкновенные, без всяких моторчиков. Например, для хороших фонариков 50м - пустяк.
Впрочем, автор свою задачу, как водится, не раскрыл, поэтому гадать по поводу оптической схемы преждевременно.

Зачем на обеих? Глаз же видит фонарик и со ста метров, и может понять - мигает он раз в секунду или нет. Причем с любого угла, и можно ближе поднести. А тут электронный глаз. Он может распознать и миллионы миганий в секунду. И тут может быть применена электронная фокусировка, как мне кажется.

Вот для лазерной линии связи как по ссылке - там понятно что можно поставить лазер и две линзы, без всякого автофокуса (максимум, раз в ручную покрутить). Меня же интересует случай, когда угол произволен, и расстояние меняется.