В продолжение темы про Transimpedance, поиск схемного решения Опции

[Herz]

В теме о применении ОРА380 я уже описывал свою задачу, вкратце напомню.
Необходимо измерить степень рассеяния света некоторой поверхностью. С этой целью освещаю её лазером видимого диапазона, с импульсной модуляцией частотой 6,4 кГц (для удобства усреднения).
Проблема в фоновой засветке, не позволяющей различить весьма слабый полезный сигнал. Попытки скомпенсировать фон мне пока не удались. Точнее, отстроиться от медленно меняющегося солнечного света несложно, гораздо неприятнее искусственное освещение, наводящее помеху в виде детектированной синусоиды. Учитывая слабопредсказуеые уровень, фазу и несимметричность, бороться с ней очень тяжело. В итоге не удаётся достаточно усилить полезный сигнал, имеющий уровни на 2-3 порядка ниже.
Прежде я решал похожую проблему при помощи УВХ. Видимо, придётся поступить так же. Вот как я вижу себе схемное решение:
Фототок усиливаю предварительным усилителем до максимально возможного значения. (поскольку фон может вызывать до 15 мка фототока, К~300 ком при 5В питании). В этом каскаде предполагаю использовать ОРА350 (кстати, скорее всего в обычном, не трансимпеданс-включении). Далее подаю усиленное напряжение на УВХ (ОРА615), который "запоминает" уровень сигнала в паузах между импульсами лазера. В состав указанной м/сх входит т.н. Transconductance Amplifier (OTA), но его характеристики меня огорчают. Попробую вместо него буфер на том же ОРА350 (благо, он стабилен при единичном усилении).
Слудующим планирую дифкаскад, например, на INA106. Пусть вычтет текущее напряжение (в момент включенного лазера) из сохранённого на УВХ. За ним - оконечный, чтобы усилить разность до нужных значений перед подачей на АЦП (AD7896). (Или объединить два последних в инструментальный усилитель?)
Поскольку в разностных значениях всегда будет присутствовать ошибка, связанная с изменением уровня фона (наводки) от момента Hold до момента сравнения, окончательно останется усреднить 128 замеров, что будут выполнены как раз за 20 мсек.
Прошу форумчан высказать замечания по структуре и методу, а также по элементной базе. (Может, в предусилителе применить более высоковольтный ОУ?) Схемку прикреплю чуть позднее. Хотя ничего нового я не придумал. Возможно, я просто сузил кругозор, сосредоточившись на конкретном пути и не вижу других, более оригинальных или простых решений? Например, если учесть, что измеряемая величина (собственно степень рассеивания) меняется очень медленно, допустимо увеличить период измерений даже до нескольких секунд. Этим стоило бы как-то воспользоваться...

[DS]

Считаете колическтво электронов, прошедших через фотодиод за нужный период времени (например 1/6400 секунды). Разброс равен корню из этого числа. Соответственно, вычисляете ток дробового шума.
Для Ваших 15 мка будет порядка 120 па. Что дает сигнал/шум порядка 100, если идеально удастся подавить флуктуации засветки. Дальше копим - за 1 сек еще 80, тогда вроде вытяиваются Ваши 12 разрядов. Но это на чисто теоретическом пределе.
Естественно, интегратор надо с шунтирующим резистором, а еще лучше фильтр второго порядка на одном ОУ. Тогда небольшая неидеальность меандра приведет просто к постоянному смещению. Что не страшно.


Быстродействие с резистором меньше - при использовании ОУ не влияет емкость фотодиода. Шумы в трансимпедансе тем меньше, чем больше усиление (шумы на выходе - это в точности шумы резистора обратной связи, а сигнал с диода у Вас может усиливаться в сотни раз). При применении резистора шум резистора усиливается вместе с шумом диода последующими каскадами.

АЦП лучше всего ставить дельта-сигма - за счет внутреннего фильтра вы получите почти идеальную фильтрацию вашего сигнала.

[Herz]

Считаете колическтво электронов, прошедших через фотодиод за нужный период времени (например 1/6400 секунды). Разброс равен корню из этого числа. Соответственно, вычисляете ток дробового шума.
Для Ваших 15 мка будет порядка 120 па. Что дает сигнал/шум порядка 100, если идеально удастся подавить флуктуации засветки. Дальше копим - за 1 сек еще 80, тогда вроде вытяиваются Ваши 12 разрядов. Но это на чисто теоретическом пределе.
Естественно, интегратор надо с шунтирующим резистором, а еще лучше фильтр второго порядка на одном ОУ. Тогда небольшая неидеальность меандра приведет просто к постоянному смещению. Что не страшно.

Спасибо.

Быстродействие с резистором меньше - при использовании ОУ не влияет емкость фотодиода.

Пожалуй, не соглашусь. Для получения КУ, к примеру, 300 ком в трансимпедансном включении необходим именно такой резистор в цепи обратной связи. Этот же номинал использовать в формуле расчёта ширины полосы (согласно DS на фотодиод). Нагрузив же ФД на резистор 10 ком и используя неинвертирующий усилитель с К=30, получим полосу существенно шире. Что и подтверждается экспериментально. Другое дело, что широкая полоса, в общем-то не нужна, но импульс должен был успеть установиться перед оцифровкой.

Шумы в трансимпедансе тем меньше, чем больше усиление (шумы на выходе - это в точности шумы резистора обратной связи, а сигнал с диода у Вас может усиливаться в сотни раз). При применении резистора шум резистора усиливается вместе с шумом диода последующими каскадами.

А как же собственные шумы ОУ, приведенные ко входу? Ведь они усилятся если не в этом каскаде, то в последующих? Особенно беспокоит токовый шум. Учитывая высокое сопротивлением источника сигнала, может получится немаленькая величина. А в "нетрансимпедансном" включении номиналы резисторов (при том же усилении) ниже. Значит, и ёмкость фотодиода, кстати, должна влиять меньше?