Нелинейность системы фотодиод-трансимпедансный усилитель. С чем она связана и как с этим бороться?, Понять и измерить нелинейный отклик системы на вх.сигнал перем.амплит Опции

[Dmitry_Ternovsky]

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

Эскизы прикрепленных изображений

 

[Dmitry_Ternovsky]

Снял сегодня картинку проясняющую суть дела.
Синий канал напряжение на выходе усилителя, усиливающего рассеяный веществом сигнал.
Зеленый - ток через ЛД... пока ток не достиг пороговой величины излучение ЛД отсутствует (правда при величине тока близкой к пороговой наблюдается слабое излучение - судя по всему светодиодный режим).
По шкале времени в клетке сейчас 50us, но придется делать пилу более крутой.

Красными точками A и B показаны места, в которых измеряется напряжение.
Я утверждаю что отношение V(B )/V(A) дожно оставаться постоянным для случая линейной схемы при разном уровне сигнала на приемнике - форма картинки не меняется, меняется только приходящий в объектив световой поток (объектив полностью открыт или половина/четверть его закрыта...не обязательно рукой ...зыыы )
Однако на практике это отношение меняется как в одну, так и в другую сторону.
С этим надо разобраться, это надо побороть!

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?

напряжение 2V подано с целью работы входных каскадов усилителя при входных напряжениях близких к 0, в случае его отсутствия на инверт. входе усилителя будет даже отрицательное напряжение, а на выходе, как показала практика, ничего не будет. Поэтому таким образом было сделано смещение, и ошибки тут нет.
Если говорить о ДШ на OPA380, то там так же приводятся такие схемы - fig.6.

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.

Приложил файл с описанием фотодиода G8370-81, обратите внимание на график Photo Sensitivity Linearity. Мощности, конечно, много бОльшие, чем в моем случае, но все же.
А вопрос о нелинейности ФД возник по причине его смещения в обратном направлении - слышал что отклик ФД становится нелинейным, но какова величина этой неинейности - я не знаю, поэтому и задал вопрос о нелинености ФД.

Да, напряжение смещения усиливается тем же операционником

Усиливается ли? И с каким же коэф. усиления?
Ведь напряжение смещения штука постоянная, поэтому омическо сопротивление - резистор в цепи обратной связи 1MOhm да и 300MOhm шунтирующее сопротивление ФД - получается обычный повторитель (Кус=1+1/300 - если быть точным)
Поправте меня, если я не прав.

И это особенно важно при фокусировке излучения на фотодиоде. Надо рассматривать размер итогового пятна с учётом защитного стёклышка и максимальной величины регистрируемой оптической мощности.

ловлю рассеяное излучение, проблем с превышением мощности не будет, наоборот ее не хватает, но объектив размером со спутниковую тарелку никто не даст делать -))

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.

10мВт - гиганская мощность, убъет фотодиод при фокусировке хотя бы 1мм...не убъет так покалечит, так что он потом будет работать плохо.

Это что за фотодиод, что-то я его найти не могу. Судя по назанию, Hamamatsoвский с 5мм площадкой, но у них в каталоге нету.

Описание диода прилагаю, диод G8376-05. 0,5мм площадка. (Прошу прощения что ввел в заблуждение, перепутав G c S)

Нелинейность ТИ легко достигается порядка 10-4, дальше сложно.

Поясните, пожалуйста, что значит легко достигается?

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.

Без объектива никак - не собрать рассеяное излучение, мощность пренебрежимо маленькая.
А другие методы измерения рассеяного излучения мне не знакомы.

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

Времена пичков видны из рисунка.
Схема, конечно, частотнозависима, но разве при этом должно что-то меняться при изменении сигнала таким образом как в данном случае? Сигнал ведь меняется пропорционально, а усилитель каждый "пичок" как отрабатывал так и отрабатывает (частотные характеристики теже), но только другая амплитуда и другой уровень напряжения.

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...

хм....какой же оптикой надо фокусировать в такую точку?
Сейчас стоит телеском с диаметром 200мм и длиной 300мм и то получается 0.5мм...Длина волны 1200нм.
Ради такого результата я готов очень постараться! ))

Кстати, куда большую нелинейность может создавать посторонняя засветка. Глазом ее можно не увидеть даже в темной комнате, а она есть.

Посторонняя засветка может, но проводилась серия экспериментов в разное время и результаты каждый раз повторялись - дело судя по всему в измерительной части, а не в засветке. Хотя я еще раз вернусь к этому вопросу, чтобы исключить ее влияние. Спасибо.

Сообщение отредактировал Dmitry_Ternovsky - Oct 9 2009, 00:27

Эскизы прикрепленных изображений

 

Прикрепленные файлы

 g8376.pdf ( 484.98 килобайт ) Кол-во скачиваний: 52
 G8370_81.pdf ( 106.21 килобайт ) Кол-во скачиваний: 77

 

[Dog Pawlowa]

Снял сегодня картинку проясняющую суть дела.

Смотрим на картинку. Мне кажется, она многое объясняет.
Контур пилы непоглощенного света сохраняется достаточно точно. Это значит, что линейность есть.
Хотелось бы еще несколько картинок, демонстрирующих ту нелинейность, которая Вам не нравится, но попытаемся без картинок.

Подходим с другой стороны. 0,1 pF на исходной схеме ... так не бывает. Емкость монтажа будет несколько пикофарад. Емкость выводов фотодиода - 5 pF. Емкость выводов резистора еще несколько pF. Т.е. постоянная времени усилителя приблизительно 5 мкс. Гляньте еще раз в даташит на ОУ. 90 MHz они получили при резисторе 2к, а у Вас в 500 раз больше. На странице есть несколько графиков изменения коэффициента передачи в зависимости от частоты. По какому графику смотреть - непонятно, но ясно, что снижение коэффициента происходит от 100 кГц до 2 МГц.

Смотрим еще раз на картинку: 50 мкс в клетке, время прохождения провала, судя по картинке от 1/3 до 1/15 - т.е. последний пик около 4 мкс.

То есть вы проходите провалы на скорости, когда сказывается ограничение полосы пропускания. Увеличите скорость пилы - и узкие провалы будут менее заметны. Когда Вы прикрываете свет рукой, фототок уменьшается и скорость перезаряда цепей уменьшается, узкие провалы уменьшаются, широкие провалы изменяются в меньшей степени.
Добавляете света - узкие провалы быстрее перезаряжаются.

Недостаточность быстродействия подтверждается разной скоростью спада и нарастания в провале, в первом разница наиболее заметна.

Спасибо за уточнение некоторых моих высказываний. Я буду более аккуратен.