Здравствуйте все!
Я собрал схему для усиления сигнала фотодиода, какая везде нарисована, и раньше я такую собирал. Рисунок прилагается.
Но на этот раз мне попался фотодиод с очень большой ёмкостью, до 900 пФ. Усилитель очень сильно звенит, время переходного процесса до нескольких микросекунд. Как с этим можно побороться? Очень бы не хотелось тупо совать ёмкость в ОС усилителя и заваливать фронты импульсов.
Заранее признателен.
P,S. С обычным маленьким фотодиодом неизвестного происхождения (в столе валялся) не возбуждается.

"Звенит" это, я так понимаю, Вы имели ввиду длительность переходного процесса или, все-таки, осциляции?

Да, длительность переходного процесса, реакция на скачок освещённости. Обозвал это возбуждением, может, и нехорошо так делать.

Тут придется выбирать- или переходный процесс с крутым фронотом и длительным колебательным установлением, или менее крутой фронт, но более быстрое затухание колебаний. Или найти усилитель, близкий к идеальному...

А с разводкой никаких косяков нет?
У нас был случай, когда после "умелой" переразводки железно работавший фотоприёмный модуль не работал вообще.
Может, обратные связи по печати идут, и с новым фотодиодом выполняются условия сдвига фаз?

можно, конечно, попробовать ОУ с токовым входом, но здесь будут мешать большие вх. токи смещения и шумовые токи низкоимпедансного входа.


Нет, я думаю, при 900 пФ на входе ОУ разводка не поможет.

А что Вы ожидали? Это стандартная проблема. На пальцах - входная емкость гасит сигнал обратной связи... он растет... потом наоборот... вот и звенит...
Все это обсуждалось неоднократно тут. Тема была... автор Herz. Что-то вроде "... трансимпеданс...". Можно поискать. Некоторое улучшение позволяет сделать компенсация (подавление) этой самой емкости посредством полевого транзистора. Емкость в обратную связь всегда ставят..

например

А кто будет мелкий конденсатор- триммер (10-15 пф) последовательно с резистором в неск ком в цепи обратной связи ставить? Для диодов с большой собственнной емкостью без такой подстройки ничего неработает. А триммер нужен чтобы под конкретный монтаж подкрутить полосу. Ну и смещение фотодиоду дать желательно- емкость ФД можно значительно уменьшить по сравнению с нулевым смещением. Ну и еще вопрос про rail2rail операционника- не сойдет ли оно с ума от того что входные каскады оказываются не в режиме вблизи земли? Я бы так не рисковал и поставил обычное двуполярное питание или хотя бы "прирподнял" схему над землей на величину падения на кремниевом диоде ( диод в минусе питания).

Уже ответили - чего то у меня некоторые посты с опозданием показывает.

Позволю себе высказать некоторые соображения:
1. Посмотрев даташник на этот операционник, убедился в допустимости сигнала до -0,1 В на входах. Видимо при малых сигналах поднимать землю не нужно. Но имейте ввиду, что при очень сильной засветке напряжение на инвертирующем входе может достигать -(0,6-0,8) В. А это уже не нормальный режим для операционника.
2. Фотодиод включен в фотовольтаическом режиме. Этот режим используется в тех случаях, когда важно иметь нулевой сигнал при отсутствии освещенности (нет напряжения на фотолиоде - нет тока утечки). Если это не принципиально, то смещением можно уменьшить емкость фотодиода раза в 3. Это поможет заметно улучшить SNR. Ну а если фотовольтаический режим выбран сознательно, то тогда уж скомпенсируйте и ток утечки неинвертирующего входа, подключив его не прямо на землю, а через резистор с тем же номиналом, что и резистор обратной связи. И не забудьте зашунтировать его большим конденсатором.
3. Номинал резистора обратной связи и напряжение питания ограничивают максимально допустимый ток фотодиода уровнем 50 мкА. Судя по емкости 900 пФ, датчик большой и такой ток даст при очень слабом освещении. С превышением этого тока операционник будет уходить в насыщение.
4. Теперь собственно о "звоне". Параллельно резистору обратной связи нужно подключить конденсатор емкостью 4,7 пФ (формула дает 5,35 пФ, но там есть еще паразитная емкость резистора).
5. На всякий случай замечу, что выход операционника должен быть нагружен на емкость не больше 47 пФ. Иначе нужно с ней бороться как написано в даташнике.

На входе операционника может быть любой потенциал в пределах питания.
Некоторые типы ОУ работают при таком включении - некоторые нет.
У меня тоже были ОУ которые возбуждались в этой схеме - не все работают от уровня отрицательного питания.
С "плавающей землей" все проблемы отпадают - автоматически.
А вот почему возбуждается от разных диодов - это интересно, конечно...

Поэтому и прсмотрел даташник Этот операционник нормально работает до -0,1 В на входе. А допустимый предел -0,3 В. Но с поднятой землей, действительно будет надежно. Я просто описал где находится граница допустимого.
Что касается разных операционников и фотодиодов, то есть формула для конденсатора в обратной связи, компенсирующего это явление. В нее входят емкость на входе, сопротивление обратной связи и частота единичного усиления операционника. Саму формулу можно посмотреть например в 3-й главе Graeme J.G. Photodiode Amplifiers. Книжку можно взять в upload\Books\Opto

Наверное в области неустойчивого усиления (т.к. нештатный режим ОУ) образуется резонансный горб (емкость диода+сопротивление обратной связи) и успешно пытается генерить?
Тогда вряд ли малой емкостью в обратной связи откупитсья удастся...

Так автор же написал- емкость фотоприемника 900 пФ. Скомпенсировать дополнительный полюс ПФ нулем, ясное дело, можно только с помощью конденсатора емкостью того же порядка. Причем тут даже собственную емкость ОУ можно не учитывать- все равно она будет заведомо меньше разброса емкости фотодиода. Другое дело, какие требования существуют к переходному процессу- нужна ли макс. скорость нарастания, или мин. время установления с заданной погрешностью.

По моему мнению здесь чтото не так.Входное сопротивление усилителя =0(в теории) какая разница сколько пик имеет фотодиод.Время переходного процесса до неприличия высоко.Что за опрер не знаю,но в некоторых на входе стоят диоды для защиты входа от перегрузки,и ,если предположить что уровень сигнала велит,то мб эти диоды и пакостят.

Маловероятно чтобы этот усилитель возбуждался, судя по схеме. А вот затяжка фронта объясняется большой емкостью диода и сравнительно высоким сопротивлением нагрузки (100 ком, или чуть менее). Надо между выводами 2 и 3 ОУ включить сопротивление на несколько килоом. Уровень полезного сигнала на входе ОУ упадет, но возрастёт быстродействие. (Уровень сигнала на выходе ОУ, вероятно, упадет незначительно. АЧХ - выровняется.) Ещё, ХК3, анод фотодиода надо подключить к источнику питания -1...-5 вольт, т.е. - задать отрицательное смещение, уменьшится емкость фотодиода.

Вы позволите, я немного перефразирую вопрос - да простит меня автор темы...

Фотодиод - это источник тока - отрицательного тока. Включен по фотогальванической схеме.
ОУ пытается скомпенсировать разность потенциалов между выводами 2-3, поднимая потенциал на выходе в плюс. Когда положительный ток (через резистор) - будет равен отрицательному току фотодиода - процесс уравновешивается. Точка равновесия находится около потенциала - 0.
В даташитс не гарантируется работа ОУ ниже какого то там значения.
Но автору хочется, что бы схема работала и в этом режиме.
И тем более, с каким то одним диодом она даже работала.
Вопрос в том - почему работала с одним и не работала с другим.

Резистор, если поставите между 2 и 3 выводом - тогда ток через него будет "утекать".
И схема будет показывать неправильное значение напряжения на выходе ОУ - т.е. непропорциональное значению фототока.

lks, ответ простой. У резистора обратной связи есть паразитная емкость (скорее всего около 0,5 пФ). Это значит, что ее достаточно для компенсации полюса при емкости фотодиода на два порядка меньше, чем установленного в схеме. Т. е. при емкости фотодиода в десяток-другой пикофарад все просто шоколадно

Паразитная емкость в такой схеме зависит от везения. Если резистор обратной связи находится над земляным полигоном, итогом может быть превращение паразитной емкости в "паразитную индуктивность" относительно ее роли в обратной связи.
А в остальном верно - без компенсирующего конденсатора коэффициент усиления растет с ростом частоты, что и приводит к неустойчивости схемы. Так что 4.7 пф должны спасти ситуацию.

А если добавить "плавующую землю", то может будет работать и с диодом имеющим большую емкость?
Предлагаю, для проверки, надеть на выводы резисторы несколько штук ферритовых колец большой проницаемости.

Вас понял. Да, я не заметил что на вывод 4 подана... земля. Не ожидал! Тогда есть смысл на ногу 3 (не инвертированный вход) подать начальное смещение, чтобы хотя бы не заходить в -0.1 вольта. Да и в большинстве схем ОУ по входу не ставят в крайнюю точку диапазона линейной характеристики, разве что - преднамеренно.
Подключить к выводу 3 ОУ делитель на резисторах и электролит. В нижнее плечо делителя потенциометр можно, для точной регулировки. В таком случае подавать на анод ничего не потребуется чотобы его слегка подпереть. По моему. Если я что-то не допонимаю по части фотодиода (скажем, надо таки 0-вое смещение ему), тогда, его анод соединить с выводом 3 ОУ.

По-моему, схема вполне имеет право на существование. В "Искусстве схемотехники" она приводится в точности именно для однополярного питания. Наиболее вероятную причину возбуждения, ИМХО, уже назвали: действительно большая ёмкость диода уменьшает его эквивалентное сопротивление на ВЧ, требуя коррекции АЧХ. Со смещением же фотодиода и самого ОУ проблема, на мой взгляд, никак не связана.

Без минусового питания или смещения на неинверт. вход схема, ИМХО,
не имеет право на существование.
С начала пусть автор разберется с питанием, а там видно будет.

Имеет, но надо проверять. С реальным диодом и монтажем. Поэтому на макете всегда отрабатываю сначала на двуполярном питании, снимаю характеристки, а потом перехожу к однополярному и сравниваю деградацию параметров. Там слишком много эффектов во входном каскаде, особенно при динамичном сигнале и жестких требованиям по шумам. Иногда однополярка прокатывает, иногда нет.
В том числе и с генерацией. Если при двухполярном питании генерация сорвется- то это приколы ОУ. Если не сорвется- то точно надо ставить конденсатор в ОС. Вооще то до емкости ФД 1000 пф конденсатор нетребуется, спасает или емкость монтажа или быстродействие опреационника (ненадо выбирать быстродействующие и все будет гораздо спокойнее).

Большое всем спасибо, получил много толчков и пинков для размышлений. Извиняюсь за задержку с ответом, не сразу смог получить доступ к стенду.
Я сделал вот как: последовательно с анодом фотодиода включил резистор 3 кОм. Про физику процесса сказать не могу, а идея была типа "грохнуть этому фотодиоду добротность или что там у него есть". Понимаю, что чушь, потом подумаю и истолкую результат. Скорее всего, добавился какой-то полюс в передаточной функции. Спасибо Micro-Cap 9 и Сергею Амелину, пророку его, за возможность легко и быстро пробовать всякие глупости.
Насчёт работоспособности ОУ в таком включении - обещано в datasheet. Прямого вранья в datasheet я никогда не видел, тем более у AD, потому верю. Да и не должно быть там резких пакостей при подходе входного сигнала к отрицательному питанию, там на входах затворы МОП ПТ. Плохо станет, когда начнут вскрываться защитные диоды. Вот что написали: This rail-to-rail input range is achieved by using two input differential pairs, one NMOS and one PMOS, placed in parallel. The NMOS pair is active at the upper end of the common-mode voltage range, and the PMOS pair is active at the lower end of the common-mode range.
Ёмкость в ОС ставить очень неохота, она при моих номиналах резисторов в ОС очень сильно заваливает фронты, гораздо сильнее, чем изобретённый мною резистор.

Не помогают и 10 пФ, больше пробовать не стал.
Ещё раз всем большое спасибо.

Снижай коэфф. усиления до 10, это достаточно. Частотно компенсированным CR-делителем. Прав MosAic - опусти нижнее питание - сам себя загнал в 5 угол - какая х-ка ОУ при 0 выходе?

такое возможно только при уходе ОУ в насыщение, что, конечно, нормальным режимом не является. Как, собственно, Вы сами и заметили:
Остаётся предположить , что у автора очень слабое освещение, видимо потому и фотодиод с большой площадкой понадобился.

Достаточно для чего?! Мне кажется, Вы... э... поторопились вставить реплику...

Максимальная полоса при максимальном усилении?

А если поставить два операционных усилителя выводы 2 и 3 соединить по схеме, а резисторы поставить по 50 кОм. Будет такая схема работать?

В АЦП можно сигнал брать только с одного - смело умножить на 2 и дело в шляпе...

сравните входное сопротивление операционника и сопротивление емкости на чстоте возбуждения
и теперь сравните что у вас стало когда вы влепили туда резистор - и будет вам ответ
можно резистор уменьшить но при такой емкости у вас все равно высокой частоты сигнала не будет поэтому можно и оставить как есть

Поставить на вход СВЧ транзистор с общей базой и смещение на неинв. вход в пол питания.

Этот результат меня заинтересовал, Дмитрий. Если пожелаете, то я поясню с картинками что делает конденсатор в обратной связи и с чем он призван бороться.

А вас прошу сообщить где наблюдали "звон" на фронтах? При моделировании в МикроКапе или на реальном макете? Если при моделировании, то выложите пожалуйста модель фотодиода, которую использовали. Если на макете, то какой длины выводы были у фотодиода? А еще лучше фотографию входной цепи этого макета. Если конечно будет интересно докопаться

Вот как раз без света всё хорошо, переходные процессы начинаются на вершинах импульсов.

Я формулирую задачу как максимально точную реакцию на импульсную засветку фотодиода.

Первое ну очень большое, второе, на мой взгляд, того же порядка: сопротивление 900 пФ на 1 МГц. Резистор 3 кОм. И какие выводы?

Докопаться интересно, спасибо. И особенно интересны пояснения. Звон наблюдал на живом макете. Моделировал с несколькими подвернувшимися моделями из библиотеки Micro-Cap 9, там ещё круче звенело. Входная цепь макета, конечно, позорная - два провода по 10 см. Но я решил, что при такой ёмкости фотодиода сойдёт.

Я вам предлагал рассматривать вместо одного источника тока с обратной связью - два (или даже больше).
С логарифмической зависимостью вас не устроит выход?

to DSIoffe: я тут на досуге попробовал помоделировать Вашу задачу со старым добрым OP-42. Вот что получилось при разных емкостях коррекции:

Нет, спасибо. Да я уже вроде с задачей справился. Не звенит, работает. Логарифмическая зависимость мне не подходит.

Спасибо! А вот теперь понять бы физику процесса. Придётся передаточную функцию такого усилителя исследовать. Почему оно находится на границе устойчивости?

Потому, что появляется второй полюс ПФ Rос*Cвх. Причем на достаточно низкой частоте. Один полюс у ОУ уже есть гарантированно- это на частоте основной его коррекции. Появляется сдвиг фазы до 180 гр. Следует ещё иметь ввиду, что усиление схемы- единичное, если считать фотоприемник источником тока. Т.е глубина ОС- максимальна.

Как бы стабильность не пострадала. Ведь резистор последовательно с фотодиодом превращает схему в инвертирующий усилитель напряжения с К=30, источником сигнала для которого является ЭДС фотодиода, фото-ЭДС. Также можно рассматривать этот источник как напряжение, продуцируемое фототоком на внутреннем сопротивлении фотодиода. И если фототок - величина вполне регламентируемая, то эквивалентное внутреннее сопротивление мне видится малопредсказуемым.
Кроме того, "классический" инвертирующий усилитель, получившийся у Вас, действительно должен работать с отрицательными входными напряжениями, диапазон которых крайне ограничен отсутствием двуполярного питания (или смещения).
И на всякий случай: есть относительно шустрые фотодиоды с большой площадкой -
Нажмите для просмотра прикрепленного файлаНажмите для просмотра прикрепленного файла
Да Вы и сами наверняка знаете...

Это с разомкутой ОС. А с замкнутой он, конечно же, смещается вверх по частоте. Иначе б усилитель с ООС вообще ничего бы не мог усиливать, кроме самых низкочастотных сигналов. А он таки может .
А вообще-то - да, исследовать устойчивость проще всего в частотной области, там же и корректировать. И че автор этого до сих пор не сделал - непонятно. Вроде бы, микрокап у него есь ... И статья у него была про частотную коррекцию ШИМ-контроллеров, а там это потруднее будет.

Так критерии устойчивости сформулированы специально таким образом, чтобы по ПФ разомкнутой системы можно было судить об устойчивости её после замыкания ОС. Так гораздо удобнее. Что касается смещения полюса ПФ вверх при замыкании ОС- это только в разомкнутой системе 1-го порядка все просто. Если порядок 2 и выше, то при замыкании ОС пара действительных отрицательных корней характеристического уравнения ПФ превращается в пару комплексно- сопряженных. И устойчивость, естественно, будет определяться знаком дествительной части этой пары. Если Re меньше нуля- то устойчиво, если ноль и более- то нет. Соотношение действительной и мнимой частей корней по модулю будет определять декремент затухания периодической составляющей или, если наоборот, добротность. Соотношение это, в свою очередь, зависит от глубины ОС и от соотношения постоянных времени разомкнутой системы. Это верно, разумеется, если в системе дополнительно нет неминимально- фазовых звеньев. Исследовать устойчивость в частотной области проще, разумеется, но при этом не учитывается нелинейность системы. Поэтому моделирование во временной области все- таки ближе к реальности.

Спасибо, что процитировали нам учебник, но конкретно в этой системе нет неминимально-фазовых звеньев, и характеристика ОУ одноплюсная. Собс-но, Вы это и сами видели.

Не буду спорить (не люблю), но нелинейность таки учитывается выбором рабочей точки для малосигнального частотного анализа. Автор же пишет, что у него "...переходные процессы начинаются на вершинах импульсов". Стало быть, там, при максимальном уровне постоянной составляющей, и надо смотреть АЧХ-ФЧХ. Впрочем, это дело автора чем и как смотреть. Кстати, интересно, все-таки - как он выкрутился?

Прошу прощения за то, что говорю об известных вещах, просто они мне дороги... а вот общая х-ка разомкнутой цепи автора двухполюсная, как минимум, да и ОУ, строго говоря, имеет больше 2х полюсов ПФ.

Я же написал: воткнул резистор последовательно с фотодиодом. Потому теперь временно успокоился. Макет заработал, и программист может отлаживать свои алгоритмы, такая на данный момент задача.
А теперь буду очень внимательно читать ТЗ и рисовать тот усилитель, который будет стоять в окончательном устройстве. Тогда и прикину ЧХ устройства. Сейчас я делаю несколько дел сразу, как Windows, и от этого усилителя временно отвлёкся.
Может, кто-нибудь до меня сообразит про АЧХ разомкнутой системы, я привык именно к такому анализу, и скажет, как повлиял тот резистор?
Пардон за нахальство. И ещё раз большое спасибо.

Так ноль появился в ПФ, Вы им частично полюс Ваш лишний и скомпенсировали...Хотя резистор последовательно с фотодиодом- это плохо, по моему. Режим "чистого" источника тока нарушается.

Общая - да. А второй полюс ОУ, судя по ФЧХ, примерно на 90 Мгц, стало быть на 50 МГц запаздывание по фазе будет градусов 20 с чем-то. Таки не страшно.

втыкание резистора наносит удар по линейности фотодиода
(этот приём рекомендовался TI по применению DDCxxx)

Так ведь не у всех ОУ так- бывают с очень небольшим запасом по фазе.

Ну вот первое, что под руку попалось:
http://www.powersupplyconsultants.com/PS643_Final.pdf
Там в середке автор сравнивает частотные характеристики идеального и "реального" ОУ. В модели "реального" ОУ учтен второй полюс, а прототип ейный - LM158, т.е. ОУ широкого применения. Ну да, второй полюс ограничивает частоту единичного усиления системы, но если полученное значение устраивает (а тут 10 кГц устраивает), то автор намекает, что можно забить на второй полюс. Но, в любом случае, учесть второй полюс не проблема.

автору поста мешает не 2-й полюс ОУ, а 2-й полюс системы, с тау 900пФ*100кОм.

Да сообразить-то можно, тока немного непонятно - схема осталась той же, что вначале? Тут неоднократно говорилось, что в таком режиме (с напряжением на входе ниже напряжения питания) ОУ работать не обязан. То, что работает - гут (разработчики его не зря зарплату в килобаксах получают ), но непонятно, что будет с его характеристиками, усилением на постоянном токе, например.