Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Wzmacniacz transinpendancyjny

marnowak 12 Mar 2013 08:45 4110 29
Helukabel
  • #1
    marnowak
    Level 15  
    Witam!
    Mam taki układ: Wzmacniacz transinpendancyjny
    Fotodioda odbiera sygnał 1MHz. Poziom sygnału na wyjściu wzmacniacza na pewnej ustalonej odległości od nadajnika wynosi 80mV.
    Teraz potrzebowałbym zmienić jego punkt masy na -2,5V (wejście +). Aby punkt pracy się przesunął muszę dodać kondensator za fotodiodą(inaczej zbija -2.5V do masy). Teoretycznie dodanie kondensatora za fotodiodą nie powinno zmniejszyć sygnału na wyjściu wzmacniacza. W praktyce jak dodam kondensator 100n sygnał na wyjściu mierzony z tej samej odległości od nadajnika zmniejsza się 5 krotnie. Próbowałem też 1uF, ale nic to nie polepszało sygnału. Może ktoś wyjaśnić mi czemu dodanie kondensatora w szereg z katodą diody obniża sygnał na wyjściu tego wzmacniacza?
  • Helukabel
  • #2
    c4r0
    Level 36  
    Nie wiem dokładnie dlaczego akurat tak się dzieje, ale nie sądzisz, że kondensator szeregowo z diodą zbyt dobrze nie wygląda? Jak chcesz zmienić napięcie na dodatnim wejściu wzmacniacza to zmień tak samo napięcie na anodzie diody.
  • Helukabel
  • #4
    c4r0
    Level 36  
    seba.et wrote:
    Kondensator ogranicza pasmo przenoszenia i szpilki. Ogólnie pojawia się dość często w tego typu schematach.
    Szeregowy z diodą? ...
  • #5
    marnowak
    Level 15  
    Chodzi mi o to, że przy bardzo bliskim oświetlaniu diody nadajnikiem na wyjściu wzmacniacza pojawia się przebieg wzmocniony przesunięty w górę o pewną składową stałą. Składowa ta powoduje odcięcie górnej połówki sinusoidy.

    Aby temu zapobiec chcę przesunąć masę wzmacniacza na -2.5V. Wiadomo- dzielnik rezystorowy podciągnięty do -5V i kondensator do masy. Dzielnik oczywiście działa dopóki na wejściu odwracającym nie podłączę diody. Ponieważ na wejściu nieodwracającym ustalam -2.5V, to samo napięcie przenosi się na wejście odwracające. Potencjał ten jest zbijany przez diodę do masy, w wyniku czego zero znów dąży do 0. Na rozwiązanie problemu zbijania -2.5V do masy wymyśliłem, żeby dać kondensator szeregowo do katody fotodiody. Zabieg ten zachowuje mi masę na poziomie -2.5V, ale niestety przebieg na wyjściu wzmacniacza jest 4 krotnie mniejszy i bardziej zakłócony niż bez kondensatora.

    Nawet analizując układ w aspekcie wzmacniacza różniczkującego napięcie na wyjściu powinno być wyliczane ze wzoru I*R (fotodioda ma charakter prądowy), więc teoretycznie kondensator w szeregu z diodą nie powinien obniżać napięcia na wyjściu.
    http://www.wzmacniaczeoperacyjne.republika.pl/uklad_rozniczkujacy.htm
  • #6
    c4r0
    Level 36  
    A jaki prąd płynie przez kondensator i jaki przez diodę? Kondensator działa fajnie jeśli prąd jest przemienny o średniej wartości równej zero (inny nie może być w przypadku kondensatora). Tymczasem fotodioda daje prąd tylko w jedną stronę, a żeby w ogóle wymusić w niej prąd płynący w drugą stronę (bo sam i tak nie popłynie) potrzeba napięcia ponad pół wolta. Kondensator szeregowo z fotodiodą to jest "nienajlepszy" pomysł.

    Rozwiązanie twojego problemu:
    1. zmniejszyć wzmocnienie tego co masz na schemacie na tyle, żeby się nie nasycał.
    2. filtr odcinający DC już masz.
    3. dodać dalej kolejny wzmacniacz, jeśli potrzeba większego sygnału.

    Jeśli oświetlenie jest na tyle silne, że nasyca się sama fotodioda a nie wzmacniacz, to trzeba ograniczyć jasność nadajnika albo zastosować filtr optyczny przed fotodiodą.
  • #8
    c4r0
    Level 36  
    seba.et wrote:
    Quote:
    Szeregowy z diodą? ...


    8,2pF równoległy do R.
    A przeczytałeś pierwszy post?

    Quote:
    Aby punkt pracy się przesunął muszę dodać kondensator za fotodiodą(inaczej zbija -2.5V do masy). Teoretycznie dodanie kondensatora za fotodiodą nie powinno zmniejszyć sygnału na wyjściu wzmacniacza. W praktyce jak dodam kondensator 100n sygnał na wyjściu mierzony z tej samej odległości od nadajnika zmniejsza się 5 krotnie.
  • #9
    marnowak
    Level 15  
    Nasyca się tylko od góry. Dlatego chciałem przesunąć masę. Wydawało mi się, że szkoda marnować wzmocnienia na pierwszym stopniu. Z założenia układ będzie miał poprawnie działać do odległości 2m. Z 2m napięcie na wyjściu wzmacniacza jest rzędu około 100 uV. Obawiam się, że dając potem kolejne stopnie sygnał i tak będzie mocno zaszumiony. Zresztą mam już podłączony drugi stopień i widzę strasznie trzęsący się przebieg w odległościach dalszych jak 50 cm.
  • #10
    c4r0
    Level 36  
    Zamiast kombinować z masą możesz zwiększyć napięcie zasilania - na to samo wyjdzie. A jeśli kombinujesz z masą to daj taką samą sztuczną masę dla fotodiody i powinno działać. Ale ja i tak pozostałbym przy masie takiej jak jest i dał drugi stopień.
  • #11
    marnowak
    Level 15  
    A w sumie fakt.
    Spróbuję podłączyć diodę pod sztuczną masę.
    Dzięki.
  • #12
    c4r0
    Level 36  
    Problem z tym może być taki, że sztuczna masa jest zawsze sztuczna więc ma po pierwsze gorsze parametry szumowe, a po drugie nie jest to ta sama masa która często jest łączona z obudową, ekranami kabli itp. Ale czy to ma znaczenie to już zależy od konstrukcji. W każdym razie, lepsze na pewno będzie podniesienie napięcia zasilania do 12V zamiast kombinowanie z dzielnikiem rezystorowym i magiczną masą.
  • #13
    marnowak
    Level 15  
    AD8056 mają max +5v i -5V :). Dlatego kombinuję.
  • #15
    marnowak
    Level 15  
    Pasmo(wzmocnienie 20dB przy 1MHz). Po za tym już kupiłem. Jak wiadomo często koszty elementów są niewymiernie niskie względem kosztu przesyłki.
  • #16
    jupi23
    Level 16  
    marnowak wrote:
    Może ktoś wyjaśnić mi czemu dodanie kondensatora w szereg z katodą diody obniża sygnał na wyjściu tego wzmacniacza?

    A czy to nie jest tak, że jak odciąłeś kondesatorem możliwość przepływu prądu DC, to na anodzie fotodiody "buduje się" napięcie, które polaryzuje fotodiodę w kierunku przewodzenia.
  • #17
    marnowak
    Level 15  
    Nikt nie zwrócił mi uwagi, że schemat zamieszczony w pierwszym poście jest niepoprawny. Fotodioda powinna być podłączona katodą do +Vs, a anodą do wejścia - wzmacniacza. Cóż- przyznaję, że temat powinien pójść do kosza, żeby nikt nie nabrał złych nawyków z błędu, który popełniłem. Fotodioda musi być spolaryzowana- nie ma innej opcji. Przy braku spolaryzowania na wejściu powinien być zwykły wzmacniacz napięciowy, a nie transimpedancyjny, ale w trybie fotowoltaicznym nie wchodzi to w grę- nie odbierze na pewno prostokąta 1MHz- jest wówczas zbyt wolna.
  • #18
    c4r0
    Level 36  
    Nikt nie zwrócił uwagi bo taka konfiguracja też będzie działać - nie było wiadomo że to błąd.
  • #19
    marnowak
    Level 15  
    Będzie, ale jak przeliczysz napięcie wejściowe na wyjściowe? Jak dasz napięciowy, to już przeliczysz.

    Ogólnie z nabytego doświadczenia przy pracy nad tym układem doszedłem do wniosku, że i tak przesuwanie zera nic nie da. Co bym nie zrobił i tak zawsze przy bliskiej odległości będzie jakaś strefa martwa. Chcąc mieć transmisję na większej odległości potrzebuję dużej mocy światła nadawczego. Jeśli przyłożę nadajnik bezpośrednio do fotodiody, to i tak ją oślepię. Oczywiście można tak dobrać rezystor sprzężenia, aby zmniejszyć tą strefę, ale wówczas skutecznie będę zmniejszał zasięg. Nie można dawać niskich wzmocnień pierwszego stopnia, ponieważ każdy kolejny stopień będzie zwiększał szumy poprzedniego. I tak podłączając fotodiodę pod + zasilania zbieram na wyjściu szumy w.cz linii zasilania. Szumy te podzielone przez reaktancję pojemnościową fotodiody(bo ma zmienną pojemność w funkcji napięcia polaryzacji) i pomnożone przez rezystancję(impedancję) sprzężenia dają o wiele większy szum niż szumy termiczne rezystancji układu, śrutowe fotodiody i różowy wzmacniacza. Na zasilanie fotodiody należy stosować filtr dolnoprzepustowy- same kondensatory tantal i 100nF nie starczają. Dodatkowo wysyłając prostokąt o f=1MHz należy zadbać o szerokie pasmo przenoszenia takiego wzmacniacza (płaska charakterystyka powinna być przynajmniej do 10 MHz). Przyznam szczerze, że teraz tkwię w problemie przenoszenia prostokąta- na odbiorniku mam sinusoidę zamiast prostokąta. Elektrycznie niby wszystko OK- zasymulowałem źródło prądowe, połączyłem nadajnik z odbiornikiem i prostokąt był. Widać, że nie każde źródło światła się nadaje (i mówię tu o samych LED-ach).
  • #20
    c4r0
    Level 36  
    marnowak wrote:
    Będzie, ale jak przeliczysz napięcie wejściowe na wyjściowe? Jak dasz napięciowy, to już przeliczysz.
    Fotodioda zawsze będzie generować prąd, więc można mierzyć ten prąd takim wzmacniaczem. To w jaki sposób podłączysz diodę będzie tylko zmieniać biegunowość sygnału na wyjściu.
  • #21
    marnowak
    Level 15  
    Tak, ale wówczas trzeba jej dać rezystor z + zasilania.
  • #22
    jupi23
    Level 16  
    marnowak wrote:
    Będzie, ale jak przeliczysz napięcie wejściowe na wyjściowe? Jak dasz napięciowy, to już przeliczysz

    Jeżeli mówimy o pierwszym rysunku to to będzie działać. Fotodioda będzie w trybie fotowoltaicznym (napięcie na niej będzie 0) tyle tylko, że nie będzie mogła generować napięcia. A to dzięki wirtualnej masie. Przez to też nie będzie płynął prąd ciemny. W tym trybie będzie płynął fotoprąd tak samo jak w trybie fotoprzewodnictwa. Natomiast gdy spolaryzujesz ją zaporowo to będzie ona pracowała w trybie fotoprzewodnictwa i będzie miała prąd ciemny, ale za to mniejszą jej własną pojemność. Ta mniejsza pojemność poprawia jej charakterystykę czasową oraz zmniejsza wzmocnienie szumów (w połączeniu z wzmacniaczem transimpedancyjnym).

    Natomiast jeśli dasz kondesator w szereg z diodą to straci ona swoją polaryzację i będzie pracowała w "trybie fotowoltaicznym bez polaryzacji zewnętrznej", czyli generowała napięcie.

    Nie wiem czy jest sens zwiększać pasmo. Nie możesz poprostu dać komparatora jak wykryjesz sinusa?
  • #23
    marnowak
    Level 15  
    Nie mogę. Jak mam sinusoidę, zamiast prostokąta to tak jakbym odebrał tylko część mocy światła.
  • #24
    jupi23
    Level 16  
    Myślałem, że ma to być sygnał dla np. mikrokontrolera.
  • #25
    c4r0
    Level 36  
    Jeśli odbierzesz poprawnie sinusoidę to stracisz moc światła ale to nie znaczy że stracisz niesioną informację. Dodając komparator i odtwarzając prostokąt z sinusoidy odzyskasz utraconą moc widmową ale to i tak jest nieistotne jeśli liczy się informacja niesiona przez sygnał i jest to sygnał cyfrowy. Tak przynajmniej mi się wydaje.
  • #26
    marnowak
    Level 15  
    Właśnie jest pewien problem.
    Nie wiem dokładnie jak to jest w pilotach IR, ale ja wysyłam sygnał prostokątny 1MHz- potem ma być kluczowany, czyli dla "1" sygnał 1MHZ, a dla "0" nic z częstotliwością 100 kbit/s. W odbiorniku niby lepsza sinusoida by była, bo tylko wtedy zastosuję ASK. Widziałem datasheet odbiornika IR TFMS i tam jest przedwzmacniacz z AGC, wzmacniacz, filtr, detektor. Ten schemat bardziej pasuje do odbierania sinusoidy, niż prostokąta. Z drugiej strony trochę głupio przesłać sygnał szerokopasmowy, żeby zawężać go do wąskopasmowego. W typowym teoretycznym ASK przebiegiem modulowanym jest sinusoida, a nie prostokąt.

    Bynajmniej na pewno nie jest dobrą praktyką niedopasowanie źródła światła. Nie oto przecież chodzi, aby tracić moc, a o to, aby przekazać jej jak najwięcej. Nadawanie prostokąta, a odbiór sinusoidy świadczy raczej o bardzo nikłej mocy przenoszonej do odbiornika. Bez żadnej optyki stosunek sygnał/szum równy 1 mam w odległości około 1m nadajnika od odbiornika (przy przejściu pełnego prostokąta). Co by było jakby to była sinusoida (może z 0,5 m w porywach). I tak muszę zastosować optykę jeśli chcę nadawać z 3 metrów. Szumów przecież nie pokonam.
  • Helpful post
    #27
    jupi23
    Level 16  
    Piloty IR, jesli korzystaja z ASK to mają modulator i wysyłana jest sinusoida. Jeżeli chodzi o odbiornik, to trzeba zapewnic odpowiednie warunki, typu nałożenie filtrów świetlnych żeby przepuszczały odpowiednie długości fal. Odbiornik musi tylko wykryć tę sinusoidę. AGC zapewnia, że jeśli sinusoida bedzie odebrana (dla różnych odległości) to będzie miała jednakową amplitudę przed demodulatorem. Dalej to idzie na demodulator, ktory tę sinusiodę zamienia na logiczną "1" lub "0".

    marnowak wrote:
    Bynajmniej na pewno nie jest dobrą praktyką niedopasowanie źródła światła. Nie oto przecież chodzi, aby tracić moc, a o to, aby przekazać jej jak najwięcej. Nadawanie prostokąta, a odbiór sinusoidy świadczy raczej o bardzo nikłej mocy przenoszonej do odbiornika. Bez żadnej optyki stosunek sygnał/szum równy 1 mam w odległości około 1m nadajnika od odbiornika (przy przejściu pełnego prostokąta). Co by było jakby to była sinusoida (może z 0,5 m w porywach). I tak muszę zastosować optykę jeśli chcę nadawać z 3 metrów. Szumów przecież nie pokonam.



    Odebranie sinusoidy (niezniekształconej), gdy wysyłasz prostokąt świadczy, że amplituda tej sinusoidy jest równa 63% amplitudy prostokąta gdybyś mógł go odebrać. Nie znaczy to, że jest ona równa 63% amplitudy sygnału wysłanego. Chodzi mi tutaj o to, że są dwie sprawy, tj. dopasowanie ( za pomocą odpowiedniej mocy nadajnika, filtrów długości fali i odpowiednio szybkiej i na dobrą długość fali fotodiody, wzmocnienie), a druga sprawa to pasmo przenoszenia ( fotodiody, wzmacniacza samego jak i całego układu odbiornika). Czyli mając odpowiednie pasmo a słabe dopasowanie, dostałbyś słabego prostokąta, a mając nieodpowiednie pasmo i dobre dopasowanie dostałbyś dobrego sinusa.
    Pewnie wiesz, że odebrałeś poprostu pierwszy prążek z widma sygnału prostokątnego jaki wysłałeś (pomniejszony bo dopsowanie jest słabe). Dlaczego tyle? Może, twoja fotodioda jest za wolna. Fotodioda może być okej, ale wzmacniacz może nie daje rady. Może kondensator w sprzężeniu ma za dużą wartosć. Chociaż wcześniej pisałeś, ze miałeś na jego wyjściu postokąt 1MHz, więc może fotodioda nie jest w stanie odebrać czegoś szybszego niż 1-2MHz, albo LED jest za wolny jak już wspomniałeś.

    Dopasowanie poprawi SNR. Możesz też walczyć z tym elektronicznie. Jest dobra książka dla kogoś kto chce bawić się w odbieranie światła- Photodetection and Measurement. Maximizing Performance in Optical Systems (by Mark Johnson). Autor jest praktykiem i pokazuje jak walczyć z szumem, jak dobierać fotodiody, jak zwiększać pasmo przenoszenia (np. dodając jeszcze jeden wzmacniacz operacyjny lub używając zamiast jednego rezystora kilku w pętli sprzężenia zwrotnego). Jeżeli oświetlenie tła jest problemem to jest pokazane jak zbudować układ, który jest żyratorem (czymś co udaje indukcyjność) i wstawić go w pętle sprzężenia zwrotnego wzmacniacza transimpedancyjnego. Dzięki temu odfiltrowywane są niskie częstotliwości na pierwszym stopniu wzmocnienia. Są pokazane schematy fotoodbiorników na tranzystorach na pasma kilkadziesiąt MHz. Jest bardzo dobrze wytłumaczona detekcja koherentna światła (stosowana do pomiarów słabych sygnałów przy dużych szumach). Jest też dużo odnośników, gdzie szukać dalej informacji. Polecam komuś, kto chce zmierzyć się praktycznie z problemem detekcji światła.
  • #28
    marnowak
    Level 15  
    Super książka.
    Nie mogę jednak zrozumieć przekształcenia 0,44mV RMS na 2,6 mV Vp-p ze strony 51. Dla prostokąta o wypełnieniu 50% wartość między szczytowa powinna być dwukrotnie większa od wartości skutecznej. Mógłby ktoś wytłumaczyć w jaki sposób autor to przeliczył?
  • #29
    jupi23
    Level 16  
    W mojej wersji książki 0.44mV to wartość szumu napięciowego jaki wywouje szum śrutowy na oporniku 1MΩ, a 2.6mV to jego wartość peak-to-peak. To nie jest sygnał prostokątny. Poszukaj jak to się liczy dla szumu.
  • #30
    marnowak
    Level 15  
    Link
    Strona 7.
    Wynika z tego, że Vrms mnożę przez 6 dla szumu, aby otrzymać Vp-p.