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

 

[MaxPIC]

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 smile.gif)

Что-то я немного запутался. Попробую немного прояснить ситуацию. Представим себе, что у нас есть сигнал напряжения, пропорциональный фототоку: Pila(t), изменяющийся в диапазоне от 0 до самой величины. Далее есть постоянное смещение CBias = 2 В. А также есть медленно изменяющаяся величина смещения: Bias(t). Ещё есть среда с модулирующей функцией Ksi(t) = 0..1 Далее в момент времени А напряжение равно:
V( tA ) =Ksi(tA)*Pila(tA)+CBias+Bias(tA). В момент времени B напряжение равно:
V( tB ) = Ksi(tB)*Pila(tB)+CBias+Bias(tB). Тогда отношение двух напряжений есть величина:
V( tB )/V( tA )=[Ksi(tB)*Pila(tB)+CBias+Bias(tB)]/[Ksi(tA)*Pila(tA)+CBias+Bias(tA)] На мой взгляд, линейности здесь нет.
Если мы начинает измерять напряжения относительно "подставки", на которой находится пила, то тогда считаем, что смещения - медленно изменяются и Bias(tA)=Bias(tB)=Bias
Vref( A )=Ksi(tA)*Pila(tA)+CBias+Bias - (CBias+Bias) = Ksi(tA)*Pila(tA)
Vref( B )=Ksi(tB)*Pila(tB)+CBias+Bias - (CBias+Bias) = Ksi(tB)*Pila(tB)
Таким образом получаем отношение относительных напряжений:
Vref( tB )/Vref( tA )=Ksi(tB)/Ksi(tA)*Pila(tB)/Pila(tA)
Вот здесь при одних и тех же временах измерения относительно начала пилы отношение Pila(tB)/Pila(tA) должно оставаться неизменным при изменении только амплитуды пилы (чтобы её изменить можно изменять амплитуду тока накачки ЛД), а вот за среду Ksi(tB)/Ksi(tA) я не отвечаю. Поэтому сначала попробуйте, как уже предлагалось, проверить неизменность первого отношения, а затем можете уже проверять среду.