Добрый день!
Сразу же извиняюсь, я новичок здесь, но решился задать свой вопрос, пожалуйста, выскажитесь кто что думает по этому поводу, очень нуждаюсь в помощи!
Подскажите пожалуйста, как правильно собрать схему усилителя для фотоприемника. Я собрал как на схеме, но на выходе получается большое смещение, и часть сиганала «зарезается». И еще можно ли сделать, чтобы использовать однополярное питание? Но только оставить ОУ AD829.Используется фотодиод InGaAs PIN photodiode Hamamatsu, G8371-01. Нажмите для просмотра прикрепленного файла
И схема как я сделал Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Описание как должна работать схема:
Усилитель фототока построен по схеме преобразователя тока в напряжение (трансимпедансный усилитель) и выполнен на ОУ А1. Коэффициент преобразования тока в напряжение на постоянном токе задается резистором
ОУ А1, резисторы R1,R2 и конденсаторы С1,С2 образуют фильтр низких частот второго порядка с передаточной функцией(transfer function) A(w)
При R1>>R2 тип фильтра определяется отношением R1C1 к R2C2: например, для фильтра Баттерворта (Butterworth) это отношение равно 3, для фильтра Бесселя (Bessel)- 2.
Используется фильтр Бесселя, т.к. он имеет максимально плоскую зависимость времени задержки от частоты(maximally flat time delay) и является наиболее подходящим для обработки импульсных сигналов из-за минимального перерегулирования и времени установления (minimal overshoot and ringing).
Номиналы, R1=22k, R2=110 Om, C1=220 pF, C2=0.015nF
Для уменьшения влияния на работу усилителя сигнала фотодиода подключаемых к его выходу различных регистрационных или измерительных устройств, а также соединительных кабелей, использован выходной буферный каскад (А2 и А3) с коэффициентами усиления +1 и -1 соответственно. В буферном каскаде применены ОУ AD829 с малым уровнем шумов напряжения (1,7 нВ/Гц1/2) и способные работать на большую емкостную нагрузку (например: длинный кабель). Резисторы R5 и R6 симметрируют выходное напряжение с усилителя относительно аналоговой земли платы NI-DAQ, что обеспечивает полностью сбалансированную конфигурацию и уменьшает уровень шумов.

большое смещение это темновой ток (зависит от температуры), смещение ОУ (документацию не смотрел, но думаю, вклад вносит). попробуйте поставить инструментальный ОУ с регулировкой смещения и добавьте термокомпенсацию (если предполагается использование в широком температурном диапазоне)
это то, что могу сказать по вашему вопросу
а у Hamamatsu нет таких со встроенным усилителем и компенсацией темнового тока и температуры?

У этого операционного усилителя БОЛЬШОЙ входной ток. Вот произведение этого тока на сопротивление в обратной связи (Вы не написали величину) и дает Вам смещение.
Еще бы написали требования по полосе и др. подробности.

Мы не уточняли, может быть и есть, сейчас нам надо с этими настроить, чтобы работало.


В обратной связи стоит R1=22кОм, а R2=110 Ом
Требования по полосе... фотодиод регистрирует импульсы. Частота до 20кГц... А принимаемая длина волны 1650-1670 нм

А какое же у Вас смещение в темноте?
И почему Вы выбрали именно этот ОУ?

В описании написано, что он малошумящий, 1.7 нВ/Гц^1/2
Смещение на первом усилителе получается около 1.5 В. Когда я с однополярным 0 +12 В питанием собрал.

Этот усилитель не будет работать так, как Вы хотите - Вы вылезаете из диапазона допустимых входных (и. возможно, выходных) напряжений.
Либо делайте искусственную среднюю точку, либо - два питания.

Посмотри
http://electronix.ru/forum/index.php?showt...%E4%E8%EE%E4%E0

Если 1.7 нв/гц у ОУ, зачем же Вы ставите резистор 22 Ком с шумом 19 нв/гц ? Это не говоря уже о шуме за счет протекающего через этот резистор тока.

Напиши более полную информацию о сигнале и задаче.
1. Длительность импульса min/max
2. Частоту вовторения min/max
3. Мощность min/max импульсов
4. Наличие внешней засветки.
5 и т.д...... в свободной форме.
Т.е. для осмысленного обсуждения нужно детально понимать задачу.
По поводу шумов резистора - с точки зрения их минимизации чем сопротивление выше - тем шумы меньше. Нужно считать не шумовое напряжение, а шумовой ток. Т.е. все приводим к току. Входное шумовое напряжение усилителя делим на емкостное сопротивление диода (ёмкостью ОУ на фоне этого диода можно принебречь), считаем токовый шум резистора, дробовый шум от утечки диода и фоновой засветки, складываем всё среднеквадратично, умножаем на корень уз полосы, делим на токовую чувствительность диода и имеем расчёт обнаружительной способности. Реально отрезаем по возможности низкие частоты на случай фликер шума. И если автор ответит чего-нибудь - рассматриваем вопрос введения схемы компенсации смещения от утечки и фоновой засветки.

Спасибо за обсуждение, правда мне не все понятно, за что прошу прощения.
Попытаюсь уточнить:
Я измеряю излучение диодного лазера, который работает следующим образом:
Лазер работает при температурах 0 - +50 С. Частота излучения лазера перестраивается в диапазоне 1.645-1.666 мкм. Диодный лазер работает в импульсном режиме, длительность импульса 1-10 мсек с минимальным промежутком между последовательными импульсами (10-20% от длительности). Импульсы тока, питающего лазер, имеют трапециевидную форму.
Собственно фотоприемник регистрирует эти импульсы, дальше обрабатываем их, но речь не об этом.
По поводу внешней засветки... похоже ее нету, ведь используемого фотодиода спектральный диапазон 0.9-1.9 мкм. Насколько я работал с таким, при обычном освещении он ничего не воспринимает.
А вот темновой ток у него великоват, от 100 до 1000 нА.
На данный момент использую двухполярное питание +-9В от двух батареек, но это не дело, надо переделывать на однополярный источник питания. (Не знаю пока как) Излучение лазера не сфокусировано, светит как попало, но в лоб на фотодиод получаю вот что. На выходе первого усилителя наблюдаю с помощью осциллографа приличную картинку, весь сигнал идет из "0" в "+", импульсы хорошо видны, помехи нету. ОДнако присутствует какое-то насыщение, если фотодиод поднести поближе к лазеру, то импульс "обрезан" получается... типа как выход за динамический диапазон.
Дальше, если подключаю выходной каскад из двух ОУ, (он немного под другому собран чем на той схеме.) То относительно выходов 6 получаю напряжение около 7 В, на нем висят импульсы, и опять при высоком сигнале на фотодиод вся картинка зарезается. Я каскад попозже нарисую, и сюда выложу, может кто скажет как от этого избавиться.
И подскажите, как сделать однополярное питание с общей точкой?

Странные Вы пишите вещи... Какой может быть темновой ток, если у Вас нет смещения (на рисунке) и засветки? Обрезание - совершенно нормально для Вашего ОУ - его выход на несколько вольт не дотягивает до питания. Уменьшите световой поток или резистор в обратной связи. Возьмите что-нибудь типа - opa380, если хотите однополярное питание.
Можете еще скачать бесплатный симулятор от TI. Там полно примеров с их трансимпедансными изделиями. Результаты симуляции прекрасно совпадают с реальностью. Моей.
Если лазер светит "как попало", то что Вы хотите получить?
А как Вы плату делали? Какие резисторы, конденсаторы?

Если как на схеме (2-х полярное питание) и большое смещение при незасвеченном диоде - то проверьте смещение при отключенном диоде, возможно у вас какие-то дефекты монтажа

Константин, во-первых хочу извиниться за фамильярность, первый раз на этом форуме, и увлёкшись вопросом, обратился на ты.
Вопрос. Насколько вы уверены, что вам нужен трансимпедансный усилитель?
Если просто подключить диод катодом к плюсу, а анод через резистор к земле - вы получите великолепную однополярную и высоколинейную схему, не считая некоторого увеличения собственной ёмкости диода при малом падении на нём (вблизи точки насыщения сигнала). Если предположить, что полоса вашего сигнала порядка 20 кГц и ёмкость диода 80 pF - то при резисторе вашем 22 кОм вы имеете полосу около 100кГц, т.е. хороший запас по частоте. За резистором можно поставить буферок на ОУ, и всё.

Нет ничего проще, подайте на неинвертирующий вход смещение от делителя напряжения. Например, половину питания или меньше. Но имейте в виду, что этим Вы ограничите диапазон выходного сигнала. Для "однополярных" источников сигнала, к коим относится в данном случае и фотодиод, разумнее использовать однополярное же и питание, выбрав соответствующий ОУ. В Вашем случае, я думаю, этому нет особых препятствий.

Константин, посмотрите микросхему SA5211 (NE5211). Готовый однополярный пятивольтовый трансимпеданчник с дифференциальным выходом.
Заменяет всю вашу схему. Правда здорово избыточен по скорости, я его под 10 наносекудный импульс использовал, поставите конденсатор между дифференциальными выходами для ограничения полосы.

Хотя лично я бы просто диод с резистором поставил - и прямо на вход АЦП SPI интерфейсом, а цифровые сигналы уже тянул бы далеко сквозь помехи.

Если светить прямым лазерным лучом, часто гораздо эффективнее нагружать смещенный диод на 50 ом, а потом усиливать широкополосным усилителем то, что получилось.

P.S. Считать, что обычной засветке InGaAs фотодиод совсем нечуствителен, неверно. Он слабочувствителен, это верно, но ток создается намного порядков больший темнового. А если включена лампочка накаливания - ее пик излучения очень хорошо попадает в область высокой чувствительности фотодиода.

Вообще мы активно пользуемся такой покупной штукой DET410 кажется. Батареечка, InGaAS pin, через разделительный конденсатор и кабель в широкополосный осциллограф с 50 - омным входом. Просто для случая Константина я взял номинал резистора 22 kOm исключительно исходя из того, что он его уже посчитал исходя из амплитуды своего сигнала. 50 Ом расширит полосу до величины, которая не нужна в этой задаче, но уменьшит амплитуду в 500 раз. При этом выходное сопротивление 22 kOm - вполне приемлемо для многих АЦП (например в MSP430) без промежуточного буфера. Вышеупомянутый трансимпедансник исключительно на случай, если Константин решил твёрдо, что ему нужен именно дифференциальный выходной сигнал. Решение не оптимально, но из серии - одну микросхему без всякой обвязки припаял и забыл.
С засветками согласен. Это светимость неба на порядки падает на 1.5 мкм, а если не на небо смотреть - то полностью с вами согласен.
Кстати на случай реализации вашей идеи - втыкал фотодиод в MMIC непосредственно, тоже решение из серии одну 4-х ножку припаял и забыл.

Вот, не знал куда пристроить... Может пригодится...

Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Еще Вы забыли, что автор писал, что при 22 килоомах у него зашкал наблюдался. Если посчитать напряжение... фотодиод такого не выдаст. Тем более.. при такой длине волны...

Я предполагал, что резистор правильно посчитан исходя из максимальной оптической мощности, а зашкал - следствие того, что ОУ не обеспечивает полный размах по выходу до питания. А резистор и уменьшить можно. Татьяна, а почему не выдаст, нужны всего доли милливата, если вся энергия на площадку попадает? Автор не указывал мощность лазера.

Не выдаст такое напряжение... Энергии кванта не хватает. А трансимпедансный (с нулевым входным) весть ток (заряд) отбирает с емкости диода. А через такой резистор не будет успевать - напряжение на ней не даст...

Всё равно, как минимум, буфер следует ставить, иначе ёмкость кабеля (в несколько раз большая ёмкости фотодиода) испортить может и полосу, и С/Ш.

О С/Ш речь не шла, мы твердотельный лазер смотели, там мегаваты в моноимпульсе. По поводу полосы - вопрос отдельной дискуссии, сошлюсь только на Г. Джонсон, М Грэхем "Конструирование высокоскоростных цифровых устройств. Начальный курс чёрной магии". стр.159. Речь идёт о самодельном щупе из последовательного резистора в 1 ком и метрового куска 50 омного коаксиального кабеля, подключенного к 50 омному входу осциллографа. Они оценивают его время нарастания как 0.35 нс.
На счёт энергии кванта не понял, 1560 нм указанные автором соответствуют максимуму чувствительности его фотодиода (больше 1 А/Вт). Падение напряжения на резисторе в обратной связи ОУ будет равно произведению фототока на его сопротивление (как и резистора просто подключенного к диоду последовательна), при условии, что оно не ограничено максимальным выходным напряжением ОУ (напряжением питания). Или я чего-то не так понимаю?

Откуда там ток течет в диоде? От внутреннего фотоэффекта...
А какое может быть максимальное напряжение на диоде?
Вот оно-то и не даст тот ток, который течет на вход трансимпеданса, на том сопротивлении, если его вырвать из обратной связи и поставить на диод.

В схеме с оу и нулевым смещением напряжение на диоде 0 (с точность до напряжения смещения ОУ), и доли вольта когда оу насытился. Последние создаются переизбытком фототока не втёкшего в резистор ОС, и создают падение на прямой части ВАХ диода (в однополярном варианте он может шунтироваться ВАХ защитного входого диода ОУ).

Вы не поняли. У автора с трансимпедансным усилителем с резистором 22 килоома был зашкал.
Значит там было напряжение на диоде несколько вольт - 5+ примерно.
Значит, его фотодиод выдавал такой ток, который давал эти самые 5 вольт на этом самом резисторе.
Так вот. Если убрать операционник и нагрузить фотодиод на этот же самый резистор (как Вы предлагали), то такой ток не потечет - напряжения не хватит...

Татьяна, я понял причину ваших сомнений во мне. Я предлагал включить диод так.

Возможно. Но, видимо, речь шла о низкоимпедансном источнике.

Насколько я понял из Вашего описания проблемы - не хватает 22ком в обратной связи - значит уменьшить надо...
Для такого случая подходит ОУ АД8014 или другой микромощный с токовой связью. Если при этом с/ш плохой, а полосы много, то можно поставить полевик с общим стоком на вход, нагрузив его ом на 300. Моделирование обязательно.

Здравствуйте!
Спасибо всем, я читаю обсуждение, мне правда не все понятно.
На данный момент собранная схема заработала, почти в таком виде как на картинке. Сейчас питание организовано от батареек. Единственное, что меня не устраивает, это большой шум на выходе. На осциллографе смотрю, там шум идет примерно 40 mV, спектр по виду очень широкий. Так не пойдет, потому что потом уже, при реальном эксперименте уровень сигнала будет очень маленький, вобщем надо как-то увеличить соотношение сигнал шум. Сейчас шум может быть связан с разводкой, я ведь просто на макетной плате проводками собрал, и через разъемы подсоединяю.

Тогда зачем же Вы головы морочили уважаемому сообществу - писали, что очень Вас зашкаливание волнует, и светите Вы прямо в диод?

Уважаемые дамы и господа!
Не судите строго... пока разбираюсь, по ходу выясняются некоторые подробности.

Так, давайте Вы для начала посчитаете сколько мВт и микроджоулей попадает в диод во время импульса. Тогда будет легче двигаться дальше.