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]

Усиление полезного сигнала должно происходить в ТИ усилителе. Можно после него еще каскад с небольшим усилением добавить. Дальше все только должно быть направлено на подвление внеполосных сигналов. Усилитель-ФНЧ перед АЦп вполне может иметь коэжффициент 10 -20.

Может будет полезно - голографические фильтры у Кaizerа уменьшаются в стиоимости по площади. Мы покупали по 400 с диаметром 25 мм, который на на фиг был не нужем. Тут выяснилось, что 10 мм можно заказать по 100. 3 мм, наверное по 10 Вам в количестве 1 штука не сделают, но если Вы разарабатываете серийный прибор, наверное 100 штук 3 -5 мм по сходной цене пройдет.

[Herz]

Усиление полезного сигнала должно происходить в ТИ усилителе. Можно после него еще каскад с небольшим усилением добавить. Дальше все только должно быть направлено на подвление внеполосных сигналов. Усилитель-ФНЧ перед АЦп вполне может иметь коэжффициент 10 -20.

Позволю себе усомниться в достаточности. Ведь всё усиление ДО подавления внеполосных сигналов во-первых, не повысит соотношение сигнал/шум, во-вторых, не может быть достаточным из-за сужения динамического диапазона величиной помехи. Это то, с чего начиналось обсуждение. Грубо: если соотношение фона к сигналу 15мка/15на, то, усилить эту смесь в ТИ, скажем, до 6В нужен К=400 ком. Полезный же сигнал перед подачей на АЦП требуется усилить примерно до 3В, а это К=200 Мом. Следовательно, нужно ещё усиление выделенного, полезного сигнала в 500 раз. (сравните с 10-20 для ФНЧ. Кроме того, может я заблуждаюсь, но чем выше усиление фильтра, тем точнее требуется подбор его компонентов, нет?).
Так что, основное усиление, ИМХО, должно быть именно после синхронного детектирования и интегрирования. Конечно, прикидка без учёта оптических фильтров, но насколько они улучшат сигнал/шум? Неужели на 40 дБ - реально?
По поводу поляризационных фильтров. Экспериментиы проводились. Может, фильтры были - не супер, но пользы от них заметить не удалось. Скорее всего, дело в том, что поверхность - некая мелкодисперсная структура, вращающая вектор поляризации практически во всех направлениях.
Кстати, ознакомился (пока поверхностно) с DS на ADS1210. Производит впечатление довольно сложного прибора. Могли бы Вы как-то прокоментировать это:

При стандартных включениях микросхемы ADS1210
(дифференциальном либо при подключении одного входа к опорному
напряжению), входной сигнал может попасть в зону нулевого
дифференциального напряжения (ширина этой зоны составляет несколько
мВ). При этом в цифровом фильтре микросхемы образуется комбинация,
которая не может быть подавлена цифровым фильтром. Этот эффект
известен и описан в [3] и при измерениях выглядит как сигнал низкой
частоты.
Для подавления этого эффекта был применен очень простой
прием. Один из входов микросхемы АЦП был соединен с «землей».
«Системная калибровка» измерителя трактует такое соединение как очень
большое «смещение нуля», которое, тем не менее, удается компенсировать.
Таким образом, эта зона (шириной несколько милливольт) смещается за
границы рабочего диапазона.

Взято отсюда. Это такая особенность этой микросхемы или типичная проблема для сигма-дельта? На сайте TI я не нашёл пояснений.

[SSerge]

Кстати, ознакомился (пока поверхностно) с DS на ADS1210. Производит впечатление довольно сложного прибора. Могли бы Вы как-то прокоментировать это:

При стандартных включениях микросхемы ADS1210
(дифференциальном либо при подключении одного входа к опорному
напряжению), входной сигнал может попасть в зону нулевого
дифференциального напряжения (ширина этой зоны составляет несколько
мВ). При этом в цифровом фильтре микросхемы образуется комбинация,
которая не может быть подавлена цифровым фильтром. Этот эффект
известен и описан в [3] и при измерениях выглядит как сигнал низкой
частоты.

Это такая особенность этой микросхемы или типичная проблема для сигма-дельта? На сайте TI я не нашёл пояснений.

В прошлом веке имел дело с этим АЦП.
Все сложности у него внутри, а снаружи всё просто: задать нужные режимы, провести цикл калибровки - и дальше всё делается само, только успевай данные забирать.
Насчёт НЧ шума при некоторых уровнях входного напряжения (лично наблюдал такое, вообще говоря этих уровней может быть несколько и они индивидуальны для каждого экземпляра микросхемы и зависят от питания, температуры, и пр.) - да, есть такая весьма неприятная особенность. Как я понял из их (тогда ещё BurrBrown) application notes это свойство не какой-то конкретной микросхемы а именно дельта-сигма как принципа их работы. Говорят они об этом как-то нехотя и весьма туманно, типа не виноватые мы, - это закон природы такой, его не обманешь. Дескать ВЧ шумы в окрестности частоты входного сэмплирования переносятся в окрестность нуля и всё тут. Рекомендуют подавать входной клок с минимальным джиттером и желательно синусоидальный, делать минимальную длину проводников для входного сигнала и давить ВЧ наводки на входные ноги.
Сильно сомневаюсь что предложеный в статье метод есть радикальное решение проблемы - просто этот шум (он называтся по-ихнему Idle Tone ) будет возникать при других уровнях входного напряжения. А вот половина возможного диапазона входного сигнала и, соответственно, один бит эффективной разрядности теряется.
К счастью Idle tone хорошо виден только при низкой, единицы герц, частоте выдачи отсчётов, при более высоких скоростях (50..100 и выше сэмплов в секунду) он или не возникает или теряется в прочем шуме АЦП.
По слухам есть какие-то методы борьбы с ним, при этом происходит "размазывание" этого типа шума по диапазону входных сигналов, а максимальная амплитуда, соответсвенно, уменьшается, но деталей не знаю, врать не буду.