Версия для печати темы
Форум разработчиков электроники ELECTRONIX.ru _ Вопросы аналоговой техники _ трансимпедансный усилитель для лавинного фотодиода
Автор: Alexander889 May 29 2018, 16:24
Добрый день!
Передо мной встала следующая задача. Собрать усилитель сигнала лавинного фотодиода AD500 http://electronix.ru/redirect.php?http://www.mouser.com/ds/2/313/AD500-8-TO52-S1-14890.pdf. И принять сигнал модулированный меандром 6МГц световой поток от мощного светодиода (3 Вт) на расстоянии до 50 м.
Сначала я собрал элементарную схему Источник питания 150 Вольт ПЛЮСОМ к катоду фотодиода, далее к резистору 400 кОм и резистор на МИНУС источника. Подключаю осциллограф и смотрю сигнал на резисторе - синус 5 Вольтовой амплитуды при достаточно большом расстоянии от светодиода (около 2-3 м).
Хорошо. Теперь тот вывод фотодиода, что шел на резистор подключаю ко входу трансимпедансного усилителя с сопротивлением 5 кОм в обратной связи. Теперь ожидаю, что у меня 5 Вольтовый синус на его выходе появится уже на значительно бОльшем удалении от светодиода. Усилитель ad8032 http://electronix.ru/redirect.php?http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD8031_8032.pdf. 80МГц
Но на практике сигнал с усилителя даже слабее чем с простого нагрузочного резистора (что я описал выше). НО есть одна зацепка, при понижении частоты модуляции сигнал возрастает. Делаю вывод о влиянии входной емкости - 1,6 пф. Понижаю резистор в обратной связи до 300 Ом. Никакого значительного эффекта.
Про насыщение усилителя темновым током знаю, учел. Специальный усилитель OPA857 тоже пробовал и такой же завал ВЧ. А нужно то всего 6-12 МГц Что сделать для повышения усиления на больших частотах.
Прошу уважаемых посетителей форума подсказать решение этой проблемы или какую микросхему взять или "куда копать" в поисках ошибки.
Заранее спасибо!
Автор: Парус May 29 2018, 17:28
Усилитель включите в режиме повторителя!
Автор: Herz May 29 2018, 17:39
Цитата(Alexander889 @ May 29 2018, 19:24)
Хорошо. Теперь тот вывод фотодиода, что шел на резистор подключаю ко входу трансимпедансного усилителя с сопротивлением 5 кОм в обратной связи. Теперь ожидаю, что у меня 5 Вольтовый синус на его выходе появится уже на значительно бОльшем удалении от светодиода.
На каком основании? Вы уменьшили усиление в 80(!) раз и ожидаете увеличения выходного сигнала?
Автор: Alexander889 May 29 2018, 20:09
Цитата(Herz @ May 29 2018, 21:39)
На каком основании? Вы уменьшили усиление в 80(!) раз и ожидаете увеличения выходного сигнала?
Тот описанный выше нагрузочный резистор 400 ком не стоял в цепи обратной связи. Он был просто нагрузкой фотодиода. И я его убрал. А вы предлагаете в обратную связь 400 ком поставить?
Автор: MegaVolt May 29 2018, 20:33
AD8015?
И первоначальную схему бы на бумажке нарисованную.
Автор: Парус May 29 2018, 21:06
Цитата
Тот описанный выше нагрузочный резистор 400 ком не стоял в цепи обратной связи. Он был просто нагрузкой фотодиода. И я его убрал.
Зачем?
http://electronix.ru/redirect.php?https://postimages.org/
Автор: Alexander889 May 30 2018, 00:08
Цитата(Парус @ May 30 2018, 00:06)
Зачем?
http://electronix.ru/redirect.php?https://postimages.org/
1) Хорошо, я так делал, только резистор 470 ком и фотодиод наоборот стояли (поменяны местами были). но мой ad8032 и в этой схеме почему то заваливает 6 мгц так что, повторюсь, выход оу слабее чем сигнал с резистора. Почему??
2) Если так делать, то зачем тогда трансимпедансный усилитель?
Цитата(MegaVolt @ May 29 2018, 23:33)
AD8015?
И первоначальную схему бы на бумажке нарисованную.
Спасибо! У ad8015 входная емкость 0,2 пф, поэтому советуете? Схему завтра выложу
Автор: Парус May 30 2018, 00:47
Посмотрел внутреннюю схему ОУ, вход имеет недостаточно высокое сопротивление.
Попробуйте поставить промежуточный каскад.
прототипы BF599, KSC2757
Автор: yakub_EZ May 30 2018, 06:48
По моим расчётам 5 вольтовый размах сигнала эквивалентен размаху фототока 5/400е3= 12,5 мкА (i=u/r).
Тот же размах фототока преобразованный трансимпедансником 5к должен дать 12,5е-6*5е3= 62,5 мВ (u=i*r) что в 80 раз меньше и сходится с вашими показаниями.
Сейчас вам лучше всего поднять лавинное усиление до максимально возможного. Т.е поднять напряжение до почти порядка 200 вольт до приемлемого вам соотношения лавинного шума. Ну а дальше выбрать что понравится - оставить нагрузочное сопротивление и усиливать сигнал с него, либо прибегнуть к трансимпедансному усилению.
Автор: prig May 30 2018, 08:49
Цитата(Alexander889 @ May 29 2018, 23:09)
Тот описанный выше нагрузочный резистор 400 ком не стоял в цепи обратной связи. Он был просто нагрузкой фотодиода. И я его убрал. А вы предлагаете в обратную связь 400 ком поставить?
Цитата(Alexander889 @ May 30 2018, 03:08)
1) Хорошо, я так делал, только резистор 470 ком и фотодиод наоборот стояли (поменяны местами были). но мой ad8032 и в этой схеме почему то заваливает 6 мгц так что, повторюсь, выход оу слабее чем сигнал с резистора. Почему??
2) Если так делать, то зачем тогда трансимпедансный усилитель?
...
Комментить не хочется. Хочется то ли заплакать, то ли ...
М.б. Вам лучше начать с некоторых базовых принципов, потом как следует вкурить тему фотоприёмников, и только потом начинать вопросы задавать?
Тем более, тема фотоприёмников и их "обвязки" может иногда становиться крайне деликатной. Так что, Вы поосторожней с ней.
П.С.
И за что Вы так товарищем Герцем? Таки, уважаемый человек.
Таки, прежде, чем бухнуть ответ, стоило бы попытаться понять смысл его послания.
Автор: rudy_b May 30 2018, 10:45
Почитайте http://electronix.ru/redirect.php?http://vestnik.astu.org/Content/UserImages/file/inform_2013_2/13.pdf.
Автор: yakub_EZ May 30 2018, 11:29
Цитата(rudy_b @ May 30 2018, 13:45)
Почитайте http://electronix.ru/redirect.php?http://vestnik.astu.org/Content/UserImages/file/inform_2013_2/13.pdf.
Статья - бред теоретика! Зачем вообще эти учёные мужи полезли в чужую тему. Занимались бы информационной безопасностью, безопасней бы было всем.
Очень поразил полученный динамический диапазон и расчёт ёмкости обратной связи. Видно, что считали впервые и даже не удосужились проверить. Поэтому остальные выводы статьи для меня под вопросом, много спорных решений.
Для справки - правильный ответ для полосы 100 МГц и для Rf 12 килоом - 0,2 пика не учитывая входную ёмкость ОУ, но не 2 нФ!
Автор: prig May 30 2018, 12:16
Цитата(yakub_EZ @ May 30 2018, 14:29)
Статья - бред теоретика! Зачем вообще эти учёные мужи ...
, но не 2 нФ!
Дык, этот учёный муж - китайский аспирант, считай студент. А проф статью вообще не читал.
Похоже, в тему студент въехать пытался, но с ёмкостью фотодиода ошибся на 3 порядка.
А дальше просто сообразилки не хватило, что с этими 2 нФ что-то явно не так.
Цитата(yakub_EZ @ May 30 2018, 14:29)
...
Для справки - правильный ответ для полосы 100 МГц и для Rf 12 килоом - 0,2 пика не учитывая входную ёмкость ОУ, но не 2 нФ!
Строго говоря, правильный ответ зависит от рабочих режимов фотодиода, "паразитов" и х-к ОУ.
И далеко не для всех сочетаний эти 100 МГц достижимы, даже если полосы ОУ хватает.
Автор: SSerge May 30 2018, 12:43
Кому не нравятся китайские аспиранты могут почитать
http://electronix.ru/redirect.php?http://www.analog.com/ru/education/education-library/practical-design-techniques-sensor-signal-conditioning.html
в главе 5 есть про усилитель сигнала с лавинного фотодиода.
перевод:
http://electronix.ru/redirect.php?http://www.autex.spb.su/sensor99.php
Автор: MegaVolt May 30 2018, 12:58
Цитата(Alexander889 @ May 30 2018, 03:08)
У ad8015 входная емкость 0,2 пф, поэтому советуете?
Я его советую потому что он готовый трансимпедансный усилитель в котором резистор уже встроен.
А так же потому что им удавалось вытащить сигналы на уровне 0,5 нВт по свету.
Правда у него выход по моему до 1В.
Но как верно сказали товарищи выше. В вашем первом усилителе было усиление 400к. Даже с 8015 будет 10к т.е. в 40 раз меньше.
И по сути если вас устроила схема с резистором то её же и стоит оставить. Зачем после неё усилитель не понятно. У вас мощность сигнала просто отличная.
Автор: SSerge May 30 2018, 14:37
Цитата(MegaVolt @ May 30 2018, 19:58)
В вашем первом усилителе было усиление 400к.
Кроме резистора там была ещё входная ёмкость щупа осциллографа порядка 13..15 пФ, на 6 МГц у неё импеданс гораздо меньше чем 400 кОм.
Цитата
И по сути если вам устроила схема с резистором то её же и стоит оставить. Зачем после неё усилитель не понятно. У вас мощность сигнала просто отличная.
Это на паре метров отличная, автор хочет видеть сигналы с расстояния до 50 метров.
Автор: MegaVolt May 30 2018, 16:58
Цитата(SSerge @ May 30 2018, 17:37)
Кроме резистора там была ещё входная ёмкость щупа осциллографа порядка 13..15 пФ, на 6 МГц у неё импеданс гораздо меньше чем 400 кОм.
Да она портила усиление.
Цитата
Это на паре метров отличная, автор хочет видеть сигналы с расстояния до 50 метров.
Пока нету расчёта не понятно до скольки нужно усиливать. Может и компаратора хватило бы.
Автор: Herz May 30 2018, 20:15
Цитата(Alexander889 @ May 30 2018, 03:08)
2) Если так делать, то зачем тогда трансимпедансный усилитель?
А Вы понимаете принцип работы трансимпедансного усилителя? На всякий случай: это преобразователь тока в напряжение. С коэффициентом преобразования, равным сопротивлению в обратной связи. Почитайте букварь.
Автор: rudy_b May 31 2018, 12:29
Цитата(yakub_EZ @ May 30 2018, 14:29)
Статья - бред теоретика! ...
В чем-то справедливо. Но в ней правильно показано, как нужно подключать ФД, как компенсировать его ток утечки, на какой вход опера подключать ФД и как делать в нем ОС. Остальное - додумает сам ТС.
Автор: AVR Jun 1 2018, 08:43
Цитата(Alexander889 @ May 30 2018, 03:08)
Схему завтра выложу
Хм... интересная тема, похожая задача предстоит. Ждем схему, да хоть на листочке от руки сфотанную.
Я в подобных задачах совершенно не разбираюсь, но казалось что такая задача не должна составлять особую сложность, тем более до 6 МГц всего и 50 метров. Есть же передача данных по воздуху оптика, там наводят оси, несколько километров, сотня мегабит... Но там лазеры конечно.
Автор: MegaVolt Jun 1 2018, 09:53
Цитата(rudy_b @ May 31 2018, 15:29)
как компенсировать его ток утечки
Что то не нашёл про компенсацию . Подскажите где там про это сказано?
Автор: rudy_b Jun 1 2018, 10:55
ФД нагружен не на резистор, а на диод D2. Правда ничего не сказано про то, чему равно VCC, но нет в жизни совершенства. Но, по уму, должна быть еще и дополнительная ОС по постоянке или разделительная емкость, которой нет в этой схеме.
Автор: MegaVolt Jun 1 2018, 11:52
Цитата(rudy_b @ Jun 1 2018, 13:55)
ФД нагружен не на резистор, а на диод D2. Правда ничего не сказано про то, чему равно VCC, но нет в жизни совершенства.
Век живи век учись. Я думал диод для защиты операционника от напряжения больше питания....
Цитата
Но, по уму, должна быть еще и дополнительная ОС по постоянке или разделительная емкость, которой нет в этой схеме.
Может небольшая лишняя постоянка на выходе не мешает работать никому. Или учитывается как поправка.
Автор: rudy_b Jun 3 2018, 13:17
Трудно сказать что имел ввиду автор схемы. Но нагрузка ФД на диод используется для компенсации сильно изменяющихся токов утечки или постоянной засветки - своего рода простенькое АРУ по постоянному току. Входное сопротивление опера в режиме инверсии намного меньше динамического сопротивления этого диода, поэтому на коэффициент усиления по переменке он практически не влияет.
Автор: Alexander889 Jun 3 2018, 21:02
Цитата(Herz @ May 30 2018, 23:15)
А Вы понимаете принцип работы трансимпедансного усилителя? На всякий случай: это преобразователь тока в напряжение. С коэффициентом преобразования, равным сопротивлению в обратной связи. Почитайте букварь.
Это я понимаю. Но в принципе резистор тоже преобразователь тока в напряжение. Чем трансимпедансный усилитель лучше резистора?
Автор: MegaVolt Jun 4 2018, 07:29
Цитата(rudy_b @ Jun 3 2018, 16:17)
Но нагрузка ФД на диод используется для компенсации сильно изменяющихся токов утечки или постоянной засветки - своего рода простенькое АРУ по постоянному току.
Как работает эта схема? Ведь диод заперт? Максимум что мы имеем это токи утечки обратносмещённого PN перехода. Как используя их можно что-то застабилизировать?
Цитата(Alexander889 @ Jun 4 2018, 00:02)
Это я понимаю. Но в принципе резистор тоже преобразователь тока в напряжение. Чем трансимпедансный усилитель лучше резистора?
Тем что падение напряжения на нём в идеале нулевое. Т.е. резистор в цепи лавинника при протекании тока имеет падение которое вычитается из напряжения смещения лавиниика что уменьшает его усиление. А при трансимпеданснике такого эффекта нет.
Автор: yakub_EZ Jun 4 2018, 07:39
Цитата(Alexander889 @ Jun 4 2018, 00:02)
Это я понимаю. Но в принципе резистор тоже преобразователь тока в напряжение. Чем трансимпедансный усилитель лучше резистора?
1. Тем, что позволяет держать стабильный режим фотодиода. В случае с ЛФД на этом резисторе падает напряжение, а на ЛФД оно снижается. При снижении напряжения ЛФД падает его лавинное усиление (M). Но в вашем случае, когда напряжение велико и падение напряжения незначительно сказываются на режиме применение резистора, возможно, оправданно. Вот когда лавинное зависит экспоненциально и составляет например 40 вольт, то резистор вообще не вариант.
2. Позволяет согласовать входной/выходной импеданс со следующим каскадом. Выход трансимпедансника низкоомный, а нагрузочный резистор надо буферизовать.
Ну и ещё немного про частотную зависимость для высокоомного резистора учитывая его ёмкость. Полоса снимаемая с резистора определяется как его RC. Если резистор 0,2 пФ (типовая емкость SMD элементов) и сопротивление 400 кОм. То -3 дБ будет 1/(2*3,14*400е3*0,2е-12)= 2 МГц. И это не учитывая входную ёмкость следующих каскадов, щупов и др.
Я вам советую выжать как можно больше на лавинном усилении, а затем уже думать, насколько нужно усилить электрический сигнал
Автор: Alexander889 Jun 30 2018, 18:49
Цитата(yakub_EZ @ Jun 4 2018, 11:39)
1. Тем, что позволяет держать стабильный режим фотодиода. В случае с ЛФД на этом резисторе падает напряжение, а на ЛФД оно снижается. При снижении напряжения ЛФД падает его лавинное усиление (M). Но в вашем случае, когда напряжение велико и падение напряжения незначительно сказываются на режиме применение резистора, возможно, оправданно. Вот когда лавинное зависит экспоненциально и составляет например 40 вольт, то резистор вообще не вариант.
2. Позволяет согласовать входной/выходной импеданс со следующим каскадом. Выход трансимпедансника низкоомный, а нагрузочный резистор надо буферизовать.
Ну и ещё немного про частотную зависимость для высокоомного резистора учитывая его ёмкость. Полоса снимаемая с резистора определяется как его RC. Если резистор 0,2 пФ (типовая емкость SMD элементов) и сопротивление 400 кОм. То -3 дБ будет 1/(2*3,14*400е3*0,2е-12)= 2 МГц. И это не учитывая входную ёмкость следующих каскадов, щупов и др.
Я вам советую выжать как можно больше на лавинном усилении, а затем уже думать, насколько нужно усилить электрический сигнал
Спасибо! Посоветуйте, пожалйста, микросхему для построения трансимпедансного усилителя, которая была бы способна работать на 6МГц (или больше) с ЛФД и давать усиление 400000. Подозреваю, что кроме частотного диапазона имеет значение входная емкость, так?
Автор: =L.A.= Jul 6 2018, 20:39
Цитата(Alexander889 @ Jun 30 2018, 21:49)
Спасибо! Посоветуйте, пожалйста, микросхему для построения трансимпедансного усилителя, которая была бы способна работать на 6МГц (или больше) с ЛФД и давать усиление 400000. Подозреваю, что кроме частотного диапазона имеет значение входная емкость, так?
*
Не существует микросхем с усилением 400 тысяч на частоте 6 МГц. Самые шустрые ОУ типа LM7171 дадут на 6 МГц усиление ~30 дБ (30 раз), микросхема усилитель ПЧ ЧМ приемников 174УР3 дает 60 дБ (1000 раз по напряжению) на частоте 6,5 МГц (ПЧ звука в телевизоре).
Автор: Alexander889 Jul 12 2018, 16:53
Цитата(=L.A.= @ Jul 6 2018, 23:39)
*
Не существует микросхем с усилением 400 тысяч на частоте 6 МГц. Самые шустрые ОУ типа LM7171 дадут на 6 МГц усиление ~30 дБ (30 раз), микросхема усилитель ПЧ ЧМ приемников 174УР3 дает 60 дБ (1000 раз по напряжению) на частоте 6,5 МГц (ПЧ звука в телевизоре).
Хорошо, что тогда делать? Использовать несколько каскадов?
И еще: как то же люди собирают сигналы на частоте даже 200 МГц. Даже китайский лазерный дальномер излучает и принимает синус на 190-210 МГц без особых усилий. Я же не могу банальные 6 МГц принять на расстоянии больше 2 метров. Может быть я вообще что-то неправильно делаю? Может быть в оптике дело? Я не использую никаких линз. Поделитесь опытом!
Автор: Herz Jul 12 2018, 21:18
6МГц это не так уж банально. И лазер со светодиодом - всё-таки разные вещи. Особенно без линз. А нужное усиление да, достигается хотя бы двумя каскадами. Первый Вам нужен как быстродействующий буфер, второй - для усиления по напряжению до нужной величины. Линзы понадобятся обязательно, ведь Вы хотите дальность до 50м?
Автор: AVR Jul 13 2018, 07:10
Цитата(Herz @ Jul 13 2018, 00:18)
6МГц это не так уж банально. И лазер со светодиодом - всё-таки разные вещи. Особенно без линз. А нужное усиление да, достигается хотя бы двумя каскадами. Первый Вам нужен как быстродействующий буфер, второй - для усиления по напряжению до нужной величины.
Не знаю, реальное ли это оборудование, но тут пишут про 1000 МГц (видимо с модуляцией оно больше): http://electronix.ru/redirect.php?http://www.optica.ru/?page=optica_21LAN3.htm - расстояние 3000 метров. Да, там лазеры.
Цитата(Herz @ Jul 13 2018, 00:18)
Линзы понадобятся обязательно, ведь Вы хотите дальность до 50м?
Какие линзы смогут собрать в кучку свет от светодиода, пусть даже очень мощного, с расстояния 50 метров? Я предполагаю, нужны некоторые пары линз с управляемым фокусом. Существуют ли подобные готовые решения? Или нужно городить своё с моторчиками? А линзы под заказ делать, например полимерные, как в очках.
Автор: Herz Jul 13 2018, 08:33
Цитата(AVR @ Jul 13 2018, 10:10)
Какие линзы смогут собрать в кучку свет от светодиода, пусть даже очень мощного, с расстояния 50 метров? Я предполагаю, нужны некоторые пары линз с управляемым фокусом. Существуют ли подобные готовые решения? Или нужно городить своё с моторчиками? А линзы под заказ делать, например полимерные, как в очках.
Линзы нужны на обеих сторонах. Обыкновенные, без всяких моторчиков. Например, для хороших фонариков 50м - пустяк.
Впрочем, автор свою задачу, как водится, не раскрыл, поэтому гадать по поводу оптической схемы преждевременно.
Автор: AVR Jul 13 2018, 08:43
Цитата(Herz @ Jul 13 2018, 11:33)
Линзы нужны на обеих сторонах. Обыкновенные, без всяких моторчиков. Например, для хороших фонариков 50м - пустяк.
Впрочем, автор свою задачу, как водится, не раскрыл, поэтому гадать по поводу оптической схемы преждевременно.
Зачем на обеих? Глаз же видит фонарик и со ста метров, и может понять - мигает он раз в секунду или нет. Причем с любого угла, и можно ближе поднести. А тут электронный глаз. Он может распознать и миллионы миганий в секунду. И тут может быть применена электронная фокусировка, как мне кажется.
Вот для лазерной линии связи как по ссылке - там понятно что можно поставить лазер и две линзы, без всякого автофокуса (максимум, раз в ручную покрутить). Меня же интересует случай, когда угол произволен, и расстояние меняется.
Русская версия Invision Power Board (http://www.invisionboard.com)
© Invision Power Services (http://www.invisionpower.com)