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...

[Herz]

Так у меня фотодиод с площадкой 13 кв.мм - отсюда и ёмкость.
Cхемка породила несколько вопросов, на которые не могу найти ответ.
Как я понимаю, ток через полевик задаётся резистором в истоке, и при приведенных номиналах составляет около 1мА, соответствуя напряжению затвор-исток примерно -0.5В. Уменьшать ток (для меньшего шума полевика) увеличением номинала резистора в истоке задавать не стали, чтобы не увеличивать его шум. В таком случае режим работы полевика должен быть чувствителен к колебаниям напряжения -5В. Для МОСФЕТа, видимо, придётся подобрать свои номиналы резистора и отрицательного напряжения. Так?
Осталось непонятным:
а) как было получено эквивалентное сопротивление в 6 кОм для расчёта результирующего коэффициента усиления по шуму? Вряд ли сложением номинала резистора в истоке и сопротивления канала, ведь "отсчитываться" оно должно от потециала "земли", а не -5В.
б) как, собственно, происходит само "шунтирование" ёмкости фотодиода ёмкостью перехода затвор-исток?
Ведь тривиальное параллельное соединение емкостей даёт увеличение результитующей ёмкости. С какой стати

"1M feedback resistor is no longer “looking back” into the large photodiode capacitance. It is instead looking back into a JFET gate capacitance, an op amp input capacitance, and some parasitics, approximately 10pF total" ?

Вы не могли бы прояснить?

Сообщение отредактировал Herz - Nov 11 2006, 15:10

[Tanya]

Так у меня фотодиод с площадкой 13 кв.мм - отсюда и ёмкость.
Cхемка породила несколько вопросов, на которые не могу найти ответ.
Как я понимаю, ток через полевик задаётся резистором в истоке, и при приведенных номиналах составляет около 1мА, соответствуя напряжению затвор-исток примерно -0.5В. Уменьшать ток (для меньшего шума полевика) увеличением номинала резистора в истоке задавать не стали, чтобы не увеличивать его шум. В таком случае режим работы полевика должен быть чувствителен к колебаниям напряжения -5В. Для МОСФЕТа, видимо, придётся подобрать свои номиналы резистора и отрицательного напряжения. Так?
Осталось непонятным:
а) как было получено эквивалентное сопротивление в 6 кОм для расчёта результирующего коэффициента усиления по шуму? Вряд ли сложением номинала резистора в истоке и сопротивления канала, ведь "отсчитываться" оно должно от потециала "земли", а не -5В.
б) как, собственно, происходит само "шунтирование" ёмкости фотодиода ёмкостью перехода затвор-исток?
Ведь тривиальное параллельное соединение емкостей даёт увеличение результитующей ёмкости. С какой стати

"1M feedback resistor is no longer ”looking back” into the large photodiode capacitance. It is instead looking back into a JFET gate capacitance, an op amp input capacitance, and some parasitics, approximately 10pF total" ?

Вы не могли бы прояснить?

На пальцах. Вот пусть небольшой заряд попал на затвор. Транзистор приоткроется. Ток увеличится. Потенциал истока полезет вверх, а вместе с ним через конденсатор и потенциал фотодиода. Поэтому динамическая емкость будет почти как у полевика. Другими словами, заряд на фотодиоде почти не изменится.

Тема эта меня тоже интересует.
Herz, а почему Вас так волнуют шумы усилителя? Ведь, кажется, Вы писали, что у Вас очень большая паразитная засветка. От нее-то шумы вроде должны быть намного больше...

Сообщение отредактировал Tanya - Nov 11 2006, 15:47

[DS]

У моего диода - около 10 кв. мм, так что 100 пф - многовато. Шум полевика состоит из многих составляющих, поэтому так вот однозначно принимать, что чем меньше ток, тем меньше шум - не стоит.

[Herz]

На пальцах. Вот пусть небольшой заряд попал на затвор. Транзистор приоткроется. Ток увеличится. Потенциал истока полезет вверх, а вместе с ним через конденсатор и потенциал фотодиода. Поэтому динамическая емкость будет почти как у полевика. Другими словами, заряд на фотодиоде почти не изменится.

ОК, кажется, становится понятно.

Herz, а почему Вас так волнуют шумы усилителя? Ведь, кажется, Вы писали, что у Вас очень большая паразитная засветка. От нее-то шумы вроде должны быть намного больше...

С установкой полосового светофильтра паразитную засветку удалось существенно подавить. Неизбежно несколько снизился и полезный сигнал. Пришлось увеличить усиление. Обнажились соответствующие проблемы. Впрочем, даже теоретически интересно разобраться.

У моего диода - около 10 кв. мм, так что 100 пф - многовато.

Судя по заявленному быстродействию, у этого 90-100 пик наберётся. А какой Вы используете?

Шум полевика состоит из многих составляющих, поэтому так вот однозначно принимать, что чем меньше ток, тем меньше шум - не стоит.

Да, но "при прочих равных", как говорится, такая зависимость, пожалуй, есть.
Как тогда работает идея с запараллеливанием полевиков для уменьшения результирующего шума?

[DS]

Диод S3072.

Шумит сопротивление канала. Поэтому запараллеливание снижает шум. Шумовое сопротивление пропорционально дифференциальному сопротивлению канала.

[Tanya]

На пальцах. Вот пусть небольшой заряд попал на затвор. Транзистор приоткроется. Ток увеличится. Потенциал истока полезет вверх, а вместе с ним через конденсатор и потенциал фотодиода. Поэтому динамическая емкость будет почти как у полевика. Другими словами, заряд на фотодиоде почти не изменится.

ОК, кажется, становится понятно.

Herz, а почему Вас так волнуют шумы усилителя? Ведь, кажется, Вы писали, что у Вас очень большая паразитная засветка. От нее-то шумы вроде должны быть намного больше...

С установкой полосового светофильтра паразитную засветку удалось существенно подавить. Неизбежно несколько снизился и полезный сигнал. Пришлось увеличить усиление. Обнажились соответствующие проблемы. Впрочем, даже теоретически интересно разобраться.

У моего диода - около 10 кв. мм, так что 100 пф - многовато.

Судя по заявленному быстродействию, у этого 90-100 пик наберётся. А какой Вы используете?

Шум полевика состоит из многих составляющих, поэтому так вот однозначно принимать, что чем меньше ток, тем меньше шум - не стоит.

Да, но "при прочих равных", как говорится, такая зависимость, пожалуй, есть.
Как тогда работает идея с запараллеливанием полевиков для уменьшения результирующего шума?

А какой у Вас фильтр? Интерференционный? Тогда есть такая идея. Перед интерференционным принято ставить обычный полосовой. Так вот. Если еще одним фотодиодом смотреть сигнал, отраженный от интерференционного фильтра, то можно сделать отличную (мне кажется) компенсацию фона . Спектр отраженного сигнала будет лежать в полосе стеклянного фильтра за вычетом полосы пропускания интерференционного. Тем более, что интерференционный фильтр подстраивают за счет его поворота относительно оптической оси. Тогда отражение можно под удобным углом регистрировать.
Может Вам можно посоветовать умощнить источник света - поставить их несколько и/или оптику улучшить. Вот зачем Вам диод с такой большой площадкой? Плохая фокусировка?

[Herz]

Нет, фильтр обычный, из этих, но за идею спасибо. Над оптикой работаем, есть некоторый прогресс. А фокусировка неважная из-за того, что объект может немного смещаться в процессе.

[Tanya]

Нет, фильтр обычный, из этих, но за идею спасибо. Над оптикой работаем, есть некоторый прогресс. А фокусировка неважная из-за того, что объект может немного смещаться в процессе.

Да уж цены неплохие...
А чем Вы светите, какая спектральная ширина? И какая полоса фильтра? Почему-то мне кажется, что лучше фоновый сигнал до усиления вычитать. А то из-за нелинейности усилителя может возникнуть много неприятностей.

[net]

Нет, фильтр обычный, из этих, но за идею спасибо. Над оптикой работаем, есть некоторый прогресс. А фокусировка неважная из-за того, что объект может немного смещаться в процессе.

Да уж цены неплохие...
А чем Вы светите, какая спектральная ширина? И какая полоса фильтра? Почему-то мне кажется, что лучше фоновый сигнал до усиления вычитать. А то из-за нелинейности усилителя может возникнуть много неприятностей.

совершенно обычные цены
а судя по полосе светит лазером от dvd с учетом температруы и разброса как раз на 10 нм и выходит

[Herz]

Надо, разумеется, использовать схему с конденсатором - Вам же постоянная составляющая не нужна и шум на ней не важен. MOSFET - радиочастотный, какой под рукой будет (bf996 и т.п.). У них обычно при токах порядка нескольких ма шум будет определяться в основном резистором истока, раз здесь рекомендуют его ставить в несколько ком. Я думаю, шумы транзистор+резистор будут порядка входного шума операционника.
Что-то диод у Вас сильно емкостной - у меня с 3 мм площадкой порядка 20 пф, а то и меньше. Соответственно, не надо эту емкость компенсировать.

А как поступить со вторым затвором?

[DS]

+5 В относительно истока через RC фильтр.

[Herz]

Я использую AD7738/39 примерно для таких же целей и вполне доволен. Присмотритесь и к ним.

Лишние каналы просто присоединяются к ref. 773X имеют лучшие характеристики при частоте сэмплирования >100 Гц, которая Вам и нужна.

А для чего у него такая немного странная тактовая - 6,144 МГц?

[DS]

Насколько я помню, это связано с частотой передачи в канале Т1 - 24*64000*4. Зачем такая привязка, может zltigo объяснит, вроде он специалист по таким каналам.
Я использую с близкой удобно делаемой частотой, например 16 Мгц/3, 40/7 и т.п.

[Herz]

Может, это связано с подавлением цифровым фильтром сетевой частоты 60Гц и её гармоник?

[DS]

Да, наверное. А кварц - стандартный для частот T1, легко достать. Хотя ведь на 6 Мгц тоже полно кварцев, тоже кратно 60 герцам.