Здравствуйте. Прочитал литературу, прочитал форумы и вот странная вещь, почему-то все забывают про выходное сопротивление источника сигнала и входное приемника(ну или почти не обсуждают этот вопрос). Если у фотодиода очень большое собственное сопротивление это хорошо, легко работать, но вот что делать если его сопротивление с десятку кОм или вообще сотни Ом.
Моя задача усилить сигнал с диодов: http://www.ibsg.ru/PDF_Data/PD24-05_RU.pdf и http://www.ibsg.ru/PDF_Data/PD36-05_RU.pdf Сигнал должен быть именно усилен, речь идет об измерении и не о каком-либо импульсном режиме работы. В процессе была расчита схема классического I-V преобразователя, схема была промоделирована. В процессе моделирования было обнаружено то, что входное сопротивление преобразователя составляет чуть более 5 кОм при Rf - 20 МОм. Уменьшение Rf нисколько не повлияло на входное сопротивление, но вот замена усилителя при моделировании повлияла. Изначально был AD795, при замене на OPA129 сопротивление упало аж до 90 Ом. Я подумал что это глюки. Моделирование проводил в Multisim 12.0.
Подумав что это прикол проги, собрал реальный усь на AD795JRZ и начал тестировать. Оказалось прога нормально смоделировала, при комнатной температуре на выходе уся болтанка из крайнего плюса в крайний минус. Балансировка толко способствует отправке усилителя в полный накаут. При охлаждении диода до -15 градусов по цельсию происходит увеличение его дифференциального сопротивление и как следствие усилитель начинает работать, появляется стабильность, балансировка смещает уровень в ограниченом пределе(работа проводилась только с диодом PD24-05).

Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Балансировка по даташиту, по схеме R1, R2 = 100 Ом, R3 = 200 Ом, R4, R5 = 510 Ом, R6 = 100 кОм.
С1, С4 = 4,7 мкФ, С2, С3, С5, С6, С7 = 0,1 мкФ.
DA1 - AD795JRZ, DA2 - AD8510.

И так сам вопрос: как точно расчитать входное сопротивление преобразователя и как избавиться от этого прикола с сопротивлением?

какой коэффициент усиления у транс-импедансного преобразователя в Вашей схеме?

http://www.maximintegrated.com/en/app-note...dex.mvp/id/5129

alexunder
При испытаниях было 235 МОМ и 20 МОм в обратной связи, конденсатор Cf болтающийся параллельно Rf составляет 10 пФ, увеличение его до нескольких нФ ничего не давало, дальнейшее увеличение приводило усилитель в полную негодность и почти полной потери чувствительности(срабатывание по ступеньке).

Plain
Уже на изусть все эти формулы запомнил. Спасибо конечно, но ничего нового.

Вам какую мощность оптического сигнала надо обнаружить? и в какой полосе? Темновой ток даже у PD24-05 десятки мкА.

enclis_
Мне дали и сказали делай, усилить надо единицы нА а лучше сотни пА, если это не вариант нужно дать ответ что диоды хрень и описать почему не пригоден для измерений.
Про полосу скажем так: медленно меняющийся сигнал, если на вскидку, то для девайса что-то в районе 10-30 Гц точно не помню.
При отсутствии смещения обратный ток отсутствует. Честно уже не хочу искать статьи Ti и NI в которых это описано, да и не в этом же вопрос.

Приведите схему включения со смещением если не трудно.

enclis_ верно заметил: с таким большим темновым током ставить такие высокие сопротивления Rос нет смысла. С резистором 20МОМ при Iph=10мкА вы получите на выходе ОУ теоретические 200Вольт, конечно он осциллирует.

alexunder
http://www.kit-e.ru/articles/usil/2009_03_46.php
Рис. 6. левая часть, правая часть буфер на AD8510.
Блок питания работает индивидуально на усилитель, других потрибителей не имеется(Блок питания трансформаторный). Индивидуально на питание усилителя стоит Rc цепочка, R=100 Ом C=4.7 мкФ, так же балансные кондеи по 0,1 мкФ к каждому усю по плюсу и по минусу итого на 2 уся 4 балансировочных кондея.

Какой нафиг темновой ток!? ЕГО НЕТУ! Неужели дураки в Ti и Ni сидят раз пишут, что для данного режима включения плюсом является отсутствие темнового тока, высокая точность и высокая линейность? К тому же объясните мне пожалуйста, почему при охлаждении фотодиода до -15 градусов по Цельсию усилитель начинает работать и выходит почти в 0?
http://www.analog.com/media/en/training-se...216sscsect5.PDF Рисунок 5.4 левая схема. Да это от AD. Других сейчас так просто не найду.


О системе охлаждения: http://www.ibsg.ru/PDF_Data/PD24-05-TEC_RU.pdf данные диоды установлены в такой радиатор, что бы практический полностью корпус фотодиода помещался в алюминии, для лучшего контакта корпуса фотодиода и радиатора, корпус был промазан термопастой КПТ-8. На лапах фотодиода термопаста отсутствует.

Проясните, что Вы имеете ввиду и какими-такими неведомыми компонентами и способами это достигаете, потому что на единственной предоставленной Вами не Вашей схеме ни о какой балансировке и слыхом не слыхивали:




Потому что темновой ток, которого по данному факту не "нету", уменьшается до соответствующего выбранному Вами усилению усилителя.

Plain
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Балансировка по даташиту, по схеме R1, R2 = 100 Ом, R3 = 200 Ом, R4, R5 = 510 Ом, R6 = 100 кОм.
С1, С4 = 4,7 мкФ, С2, С3, С5, С6, С7 = 0,1 мкФ.
DA1 - AD795JRZ, DA2 - AD8510.

Про темновой ток: повторяю, почему тогда AD, Ni, Ti, пишут что его нету? Откуда вы его находите покажите пожалуйста? Может в физике полупроводников что-то изменилось... Может новое что-то открыли и доказалси что ВАХ проходит не через точку начала координат...

http://journals.ioffe.ru/pjtf/2014/16/p58-64.pdf
Влияние низкочастотных шумов
на пороговую чувствительность
фотодиодных фотоприемных устройств
среднего ИК-диапазона в широкой
полосе частот
© С.Е. Александров, Г.А. Гаврилов, Г.Ю. Сотникова
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург

http://www.analog.com/media/en/technical-d...heets/AD795.pdf
Рис 45. Найдите, как минимум, одно отличие.
С другой стороны - не все ли равно...
Хотя, с учетом однополярного питания - не все равно.

zigmo, вы не привели схему сразу же. Многие подумали, что вы используете обычный фотодиодный режим, а не фотовольтаический. Да, действительно, в фотовольтаическом режиме темного тока нет. Но не забывайте, что ёмкость диода максимальна.

НЕХ
Читал, довольно странная статья если честно, до конца еще не разобрался, на данный момент снова вернулся к собственным шумам фотодиода и обнаружительной способности, получается какой-то бред, если выводить шум из обнаружительной способности то на 10 Гц он должен составлять пару пикоампер... На данный момент продолжаю решать этот вопрос.

ViKo
Именно оттуда и брал, питание у этого усилителя только биполярное.

enclis_
Извиняюсь, действительно был неправ. В 1 пост добавил схему.
Да ёмкость максимальна, ну и бог бы с ней, разве нет? У меня нет условия мерить сигнал на частоте, единственное условие - мерить постоянный сигнал или медленно меняющийся сигнал, частота которого дай бог бы с 10 Гц.

Самый главный вопрос остается открытым, как точно определить входное сопротивление данного усилителя. Возможно я просто не увидел это где-то...

Я вижу, диод направлен в другую сторону, и на рис. 45 включен в прямом смещении, однозначно. Когда же питание биполярное, куда улетит выход и сместится диод, не могу представить.

ViKo
Я раньше предпологал что ему фиолетово, и по факту так и было, включи так или иначе - на выходе сигнал будет или увеличиваться или уменьшаться, но при почти равном Rисточника и Rприемника наблюдается неведомая хрень.

Дополню пост: так же собрал усилитель на AD8551 так же в фотовольтаическое включение, с 1 гОм Rf ему несколько плохо, но он танцует возле 0 и выше 200 мВ не прыгает, при уменьшении до 235 МОм усилитель выходит в 0 при выводе из 0 шум составляет от пика до пика 100 мВ, без пиков 80 мВ.

Ясно. В двух словах, разница между двумя режимами — в фотодиодном фотодиод нагружен на ноль Ом, в гальваническом — на больше нуля Ом.

Итого, сейчас у Вас фотодиодное включение и на закороченном виртуальным нулём диоде всегда условно ноль вольт, а для гальванического, соответственно, выкиньте все Ваши крутилки и конденсаторы, зашунтируйте фотодиод резистором 1 кОм и подайте этот сигнал на вход не такого, как сейчас, а неинвертирующего усилителя, собранного на ОУ с автокомпенсацией нуля.


Пожалуйста — реальная ВАХ реального диода — прекрасно видно, как плывёт ток утечки, он же и темновой, от температуры:

Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Plain
http://www.kit-e.ru/articles/usil/2009_03_46.php Рис. 7.а.
Если бы дифференциальное сопротивление диода было опупенно большим, то никаких проблем, а так при Rdif диода 3 кОм параллельно ему нужно ставить 30 Ом... Что я оттуда достану не ясно... Кстати по листу спецификации на диод без элемента Пельтье дифференциально сопротивлние указано 7,4 кОм. Согласно этому 7400/100=74 Ом. Не густо однако. Наткнулся сейчас на интересную весчь, что напряжение на инвертирующем входе должно быть максимально приближено к нулю по отношению к земле, в реальности надо скомпенсировать до самых мелких величин микровольт. ЗАвтра попробую проделать это и посмотрю что из этого выйдет.

На Вашей картинке область перехода из + в - не отображена и картина является не полной.
Про темновой ток - первая попавшаяся ссылка:
http://moskatov.narod.ru/Books/The_electro...ics_fig_3_5.png
Для справки Рис. 1.4. книга: Graeme J.G. Photodiode Amplifiers. За отсутствием смещения всё проходит через нуль.

Построил в табличке в ексельчике график по модельке Эберса - Молла:-) приняв температуру за комнатную, а именно 293 по Кельвину, обратный ток за величину 12 мкА я убедился в том, что всё проходит через 0 и если есть темновой ток, то только обусловленный потенциальным шумом самого диода. Так же убедился в том похоже мой недавний расчет действительно адекватен и шум диода лежит в области наноамер(И, да, я знаю что для каждого типа фотодиодов параметры модели могут быть индивидуальны и могут появляется новые составляющие. Сейчас так сходу не вспомню, но толи по Титце У., Шенк К., толи по Хоровиц П., Хилл У. утверждают что модель Эберса-Молла справедлива для большинства полупроводниковых диодов(не фото) в положительной областе потенциала и тока).

Похожую задачу, КМК, решали на EDN.

Из комментариев к статье:

blackfin
Эта схемка есть и в книжке от Graeme J.G. Photodiode Amplifiers и в статейке от бурых браунов написанная Хобсом Филлипом которая переведена Иоффе Дмитрием на которую я частенькое здесь ссылаюсь:-)
Такую идею обдумывал, но раньше, когда был вопрос об усилении сотен пик, она отлетела моментально. Сейчас возможно вернусь к ней.

zigmo, если у Вас полоса сигнала десятки Гц, то почему бы не поинтегрировать его? Когда-то ставил ACF2101 от TI как раз для работы с ИК-фотодиодами (InGaAs, 2ст Пельтье).

Для подобных ИК фотодиодов нет смысла применять ОУ на JFET.
Шумы фотодиода без фототока определяются его Ro
На постоянном токе может и пригодится ADA4528, но в общем случае ОУ на биполярных транзисторах оптимальнее.
А на ВЧ передовики уже хвастают применением HEMT и SiGe в каскодном включении...

В Вашей схеме нужно убрать R3, R4, R5, R6, C7, объединить неивертирующий вход усилителя и анод фотодиода, и ИМХО всё будет работать как надо.
По поводу входного сопротивления усилителя - оно примерно равно отношению импеданса обратной связи (по постоянному току это Rf) и коэффициента усиления разомкнутого операционного усилителя. Для постоянного тока при Rf=20МОм и Ku(AD795)0 = 110dB оно равно примерно 63 Ом.

И ещё замените R1 и R2 на 1 Ом, иначе возможны осцилляции на выходе размером в размах питания.

alexunder
Потому что на данный момент усилитель работает крайне не стабильно.

НЕХ
Или я что-то не понимаю или в реале что-то по другому, но если выводить токовый шум фотодиода из обнаружительной способности и принять диффиренциальное сопротивление за константу, то получается, что дифферецнаильное сопротивление не влияет на шум фотодиода. Расчетный шум получился 0,88 пА*Гц^1/2. Если это так, то получаем то, что шум всегда остается константой и не зависит от уровня сигнала.
Почему стоит применять именно ОУ на биполярных транзисторах, чем плох тот же TLC2652 по сравнению с усилителями на биполярных транзисторах?

Пока основной проблемой нестабильной работы является отсутствие точного согласования входного напряжения трансимпедансного усилителя по отношению к земле. Действительно это вызывает дикий разгул фотодиода с малым собственным сопротивлением.


MaxPIC
Угу я знаю эту формулу, есть еще и на реактивное сопротивление, только это справедливо при потенциале на инвертирующем входе равном нулю, а по факту он нулю нифига не равен.
Балансировку убирать не буду ибо без неё проживаем на дне океана)))
Приколов с питаловом нету, раньше резисторов R1 и R2 не было, остались как придаток, ибо разницы что с ними что без них - нету. Не убрал только потому - что было лень выпаивать из платы.

М.б. с коррекцией что-нибудь не то?
А вообще-то, в своё время мне встречалась у ADI куча статей по подключению фотодиодов. Крче, тема уже давно изжёвана.
И книжек у них много всяких. Вот, например: Op Amp Applications Handbook / by Walt Jung . Фотодиоды там довольно подробно расписаны.

Так я и предлагаю от усилителя отказаться и вместо него интегрировать ток. Можете непосредственно на ОУ сделать интегратор, но со сброс придется самому делать на каких-нибудь аналоговых ключах. Посему проще взять готовую ИМС.

Похоже, автор бьётся головой о стену, пытаясь приладить к ИК фотодиоду гигаомный резистор. Обречён...
Проиграет напряжению смещения и его дрейфу, помноженному на noise gain.
Поймите - это не кремний ! Из этого фотодиода плохой источник тока !
и интегрирование заряда тоже не сулит успеха... Ro мало.

Это не поможет... ТС очень невнятно и, к тому же, используя сленг, описал свою проблему, связанную с малым выходным сопротивлением фотодиода. Ему уже предложили правильное решение, но он его не понял.
Чтобы уменьшить тут количество переливаемой воды поясню на пальцах.
Суть проблемы - при малом сопротивлении фотодиода дрейф (от температуры или еще чего-нибудь) смещения входного напряжения ОУ порождает значительный ток, который усиливается резистором в обратной связи огромного номинала. Фактически можно на это посмотреть как на ОУ с закороченными входами без обратной связи. Вот и зашкаливает...
P.S. HEX опередил. Как всегда...Получилось дублирование.

Что по факту: диод с диф. сопротивлением 7,4 кОм и Rf = 235 МОм, на усилителе AD8551 работает, на AD795 этот же диод при таком же Rf заработал, при этом болтанка составляет примерно 20 мВ.

Если эти диоды не пригодны для такого включения, то как их включать? Еще больший вопрос - как с них завод изготовитель снимает характеристики? И самый главный вопрос как они получили такую обнаружительную способность? Объясните пожалуйста тупому.(Я понял уже, что по преобразователю I-V фига что отсюда выкачается при большом сопротивление, еще понял что схема работает частично еще как интегратор в результате чего усилитель гуляет...)

AD795: 3.3 μV p-p maximum, 0.1 Hz to 10 Hz
И что Вы ожидаете с теми коэффициентами усиления по шуму, которые в вашей схеме имеют место быть?

П.С. Скорее всего, это основной вклад в "гулянку". Если задача позволяет, какую-то часть НЧ лучше срезать.
А в остальном, надо просто аккуратно оценить шумы для требуемой полосы в зависимости от ОУ. И чудеса исчезнут.

Посоветую:

Схему собирать из маленьких элементов, резисторы и конденсаторы не больше SMD 0603, выбор корпусов микросхем аналогичный. Иначе будут большие радиочастотные наводки на контуры, образованные дорожками на плате.
В качестве источника питания, по крайней мере на этапе экспериментов, использовать батарейку, что бы не было никаких помех по шине земли, возвратных токов и т.п. Вы ведь подключаете выход к осциллографу, а у него своя земля, куда-то как-то проложенная.
Для эксперимента, собранную плату (надеюсь, она маленькая, 1*1см ) нужно завернуть в фольгу, соединив этот экран с 0 , и посмотреть что на выходе. Если при этом на выходе станет 0, значит проблема в экранировании от электромагнитных наводок.

Я как-то усиливал малые токи от SMD фотодиодов. Фотодиоды были размером порядка 1*2мм . Так вот, электромагнитные наводки исчезали, после того как я заворачивал платы в фольгу, и делал для фотодиода окошко-дырочку диаметром 1мм. При увеличении диаметра до 2мм наводки снова появлялись, форма стенок дырочки так же сильно влияла. Т.е. электромагнитная наводка наводилась именно на сам фотодиод, при его миниатюрных размерах он всё равно представляет из себя электрический диполь.


МП

Определение реального источника и типа помех иногда весьма затруднительно.
Скорее всего, Вы неправильно интерпретровали ситуацию, и диполь здесь не при чём.
1мм - это длина волны для 300ГГц. Гораздо проще словить что-то более низкочастотное.
По моему опыту, это или классические 50Гц, м.б. с вариациями типа импульсных помех, или помехи от работы сотовой связи.
В своё время, в определённой ситуации, особо доставляла помеха от сигнала вызова абонента GSM или DECT.

А если ближе к сабжу, то ТС ещё не освоил гораздо более простые вещи, связанные с шумами и помехами.
Надеюсь, что значение 4нВ/Гц^0.5 ему знакомо и с простейшими формулами он дружит. Просто пока не "пристрелялся" к таким задачам.

Да, у меня наводилось 50 Гц и разные другие частоты в десятки КГц от компьютера и прочей техники.

Да смысл в этом всём? Выше головы я не прыгну. НЕХ и Tanya довольно верно описали почему прикол такой, никакие наводки тут не причем. Я изначально лопухнулся... с этих диодов при комнатной температуре можно качать только микроамперы.

Поставьте 2, 3...

Вы бы рассказали про задачу в целом, Вам бы тогда подсказали какой-нибудь другой путь её решения.

1. В какой полосе?
2. С помощью чего качать?
3. Каков вклад в шум каждого из элементов?
Как только ответите, поймёте, где именно лопухнулись.

П.С. У первого из упомянутых фотодиодов просто отличные х-ки: 1пА/Гц^0.5.
Проблема в том, что с такими величинами работать очень не просто.
Но даже по грубым прикидкам, шум 30пА (RMS приедённый ко входу) в полосе 10-100Гц достижим сравнительно простыми способами.

П.С.П.С. И таки обратите внимание, я задал полосу от 10Гц.

Решил применить ИК фотодиод InAsSb Hamamatsu P11120-201. И тут же озадачился. Динамическое сопротивление диода Rsh=10 Ом, что довольно мало. Выбрал LT1128 для трансимпедансного усилителя. Сопротивление обратной связи 200кОм и для сужения полосы впаралель поставил конденсатор 10нФ. На выходе наблюдаю довольно значительные шумы. Какие методы есть для снижения низкочастотных шумов в усилителях с низкоомным источником сигнала? Или я уже уперся в собственные шумы фотодиода? Встроенным элементом Пельтье застабилизировал температуру на уровне -30C

Посмотрите эту тему:

https://electronix.ru/forum/index.php?showtopic=128605

Спасибо! Моя тема.

Объединились.

Нашел интересную статью. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4863836/

Стоит пытаться запаралеливать входные ОУ?

ps. Похоже, что стоить попробовать. http://www.linear.com/solutions/5657 . Правда дороговатое решение выйдет.

Запаралелил 2 ОУ ADA4898-2. Визуально шумы раза в 1.5 уменьшились. Хотелось бы на порядок. Может на дискретных биполярных транзисторах входную часть собрать и запаралелить их?

Кстати, выше в этой теме предлагали ОУ с входами на биполярных транзисторах.
Вы пробовали искать app. notes у Хамаматсу по таким ФД? Иногда в подобных документах дают намек как правильно реализовать усилитель. Уверен, что сами Хамаматсу предлагают готовый модуль усилителя, но стоит он, наверное, как четыре диода
PS. Чем вызвано желание использовать InAsSb фотодиод?

Как раз у ADA4898 en=0.9nV/sqHz
Меньше уже и не найдешь наверное.
А желание использовать InAsSb фотодиод возникло с необходимостью регистрировать сигналы в диапазоне 1-5мкм. Hamamatsu сняло с производства все датчики содержащие свинец, в том числе PbSe
Запрашивал стоимость усилителя https://www.hamamatsu.com/jp/en/product/cat...9-07/index.html , примерно 1500 евро

Проблемы таких датчиков немного тут расписаны https://www.eosystems.com/uploads/2/0/1/3/2...photodiodes.pdf

У Хамаматсу такими устройствами, похоже, студенты занимаются. Стоят они дорого, а параметры, мягко скажем, очень средние. Если брать детектор и электронику от них обычно возникает вопрос "за что деньги плачены" - все достоинства их детекторов будут снивелированы.