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

 

[Herz]

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.

Как это можно утверждать, не зная мощности? Или Вы её чем-то меряете? Тогда, если "мощность" меняется линейно и на выходе Вашего ТИ - пила, то нет причин подозревать в нелинейности схему.

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

Мне кажется, дело здесь может быть в другом. Поскольку, как Вы утверждаете, "провалы" вызваны поглощением света частичками среды (На "пиле" есть "провалы" - поглощение излучения веществами, в разных местах), то логично предположить её неоднородность. В таком случае доля поглощённого (провала) в общем принятом (площади пилы) будет зависеть от того, как Вы заслоняете объектив.

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?

А что в этом сложного? Даже источника пилообразного напряжения и резистора будет достаточно. Можно и хороший источник тока на ОУ+транзистор сделать.


Простите, MaxPIC, но по-моему, Вы пишете сплошную ерунду.

Насколько я понимаю, в схеме, которую Вы указали, есть напряжение смещения +2 В. Это напряжение будет приложено и к фотодиоду, и предназначено оно для компенсации постоянного фототока (ну ещё темнового тока).

?!! Ни для какой компенсации токов оно не предназначено. Более того, именно оно темновой ток и провоцирует. А назначение смещения - в обеспечении фотодиодного режима работы (в отличие от фотовольтаического). Вот, к примеру, почитайте:[attachment=37075:photodiod.pdf]

Отсюда первый момент: если Ваш сигнал переменный, то измеряйте "провал" не в абсолютных величинах, а в относительных, относительно амплитуды "пилы".

Ну так автор именно об относительных величинах и говорил.

И второй момент, Ваша засветка должна быть такой величины, чтобы компенсировать ток, создаваемый Вашими +2 В смещения, да ещё и быть постоянной. Если засветка изменится, то возможен момент, когда напряжение смещения +2 В даст такой компенсирующий ток, что он в свою очередь не только компенсирует ток засветки, но и частично полезный фото ток. И тогда также будет видна нелинейность, причём этот момент явно будет проявляться при выходных напряжениях, близких к напряжению смещения +2 В.

Вапще ниасилил... С компенсациями, Вы, кажется, явно уже переборщили... Сами не запутались? Обратите внимание: ток через фотодиод течёт в одном направлении.

Я бы В Вашем на не инвертирующий вход подал землю.

И ничего не изменится, поверьте.

Там есть режим насыщения, так как характеристика фототока от освещённости нелинейна (по экспоненте).

В вышеприведенной методичке есть рис.4, на эту тему.

Кстати, а автор не говорил, что источник излучения - лазер. Может, светодиод.

[MaxPIC]

?!! Ни для какой компенсации токов оно не предназначено. Более того, именно оно темновой ток и провоцирует. А назначение смещения - в обеспечении фотодиодного режима работы (в отличие от фотовольтаического). Вот, к примеру, почитайте:[attachment=37075:photodiod.pdf]

Согласен, режим работы фотодиода в данной схеме - фотодиодный и при появлении смещения появляется темновой ток.

Ну так автор именно об относительных величинах и говорил.

Да, я и имел в виду измерение относительно амплитуды пилы, а не отношения двух точек на пиле.

Обратите внимание: ток через фотодиод течёт в одном направлении.

На странице 2 в самом низу указанной Вами методички расписаны диффузионные и дрейфовые токи, и текут они в разных направлениях

В вышеприведенной методичке есть рис.4, на эту тему.

Это не совсем то, о чём я говорил. Как Вы думаете, прямая линия идёт до бесконечности? А если по оси взять освещённость? Вот и получится график с насыщением, о котором я говорил. У меня где-то на работе график этой зависимости для ФД-24 лежит. Искать долго придётся, но характеристику я для этого фотодиода сам лично снимал.