Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Arrow Multisolution Day
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Zasilanie wzmacniacza transimpedancyjnego

marnowak 02 Kwi 2013 23:21 1875 13
  • #1 02 Kwi 2013 23:21
    marnowak
    Poziom 14  

    Witam!
    Na internecie jest dużo opracowań dotyczących szumów wzmacniaczy operacyjnych. Żaden z nich nie porusza wpływu zasilania w przypadku wzmacniaczy transimpedancyjnych do detekcji sygnałów z fotodiod. Otóż spotkałem się z problemem wystąpienia szumów na wyjściu takowego wzmacniacza. Wszelkie opracowania traktowały o szumie termicznym, śrutowym fotodiody oraz 1/f samego wzmacniacza.
    Zakładając rezystor w sprzężeniu 33kOhm i fotodiodę BPW34 połączoną katodą do +5V, anodą do wejścia odwracającego. Pojemność diody dla +5V wynosi 20pF. Szumy wnoszone przez wzmacniacz: 6nV/sqrt(Hz).
    Wedle wszelkich opracowań napięcie szumów na wyjściu takiego wzmacniacza nie powinno przekroczyć 0.5 mV. Strasznie zdziwiło mnie, że poziom szumów na wyjściu wynosi nawet i 20mV, nie mówiąc już o tym, że poziom odbieranego sygnału mam mniejszy, co skutecznie unieruchomiło dalszy rozwój mojego projektu.
    W końcu wyczytałem na tym forum, że poziom szumów najlepszych nawet układów zasilających wynosi nie mniej jak 5mV. Zamieniłem pojemność fotodiody w reaktancję (Xc=650 Ohm dla 10 MHz), następnie przeliczyłem prąd szumów zakładając owe 5mV szumów zasilania dzieląc je przez reaktancję fotodiody. Mnożąc powstały prąd przez rezystancję sprzężenia 33 kOhm otrzymałem faktycznie około 20 mV szumów na wyjściu wzmacniacza transimpedancyjnego.

    Wzmacniacz zasilany symetrycznie +5V/-5V. Stabilizatory 78L05CV oraz 79L05CV. Na wejściu elektrolity 1000uF i kondensatory SMD 100nF, na wyjściu 47uF i 100nF przy wzmacniaczu. Chciałbym zejść z tymi szumami na poziom 1mV, ale nie wiem, co mógłbym zmienić w zasilaniu, aby zejść niżej z szumami. Dodam, że szumy są znaczące dla częstotliwości wyższych od 5MHz. Dziwne to, bo tak na prawdę mam równolegle do 33kOhm kondensator 3pF, co ogranicza niby pasmo do 1.6 MHz.

    0 13
  • Arrow Multisolution Day
  • #2 03 Kwi 2013 01:04
    c4r0
    Poziom 36  

    A uwzględniłeś szum prądowy wejść wzmacniacza i wzmocnienie tego szumu przez sam wzmacniacz? Szumów pochodzących z zasilania pozbędziesz się podłączając fotodiodę do masy zamiast to napięcia zasilania.

    0
  • #3 03 Kwi 2013 07:07
    marnowak
    Poziom 14  

    Właśnie wiem. Wcześniej tak miałem, ale wówczas fotodioda pracuje w trybie fotowoltaicznym i nie przenosi całego pasma(jest wolna). Przy takim podłączeniu nie miałem problemów szumowych. Chcę odbierać prostokąt 1MHz, czyli na oko kondensator w sprzężeniu muszę dobrać, gdzieś na 10MHz, aby go otrzymać, więc szumy na wyjściu będą jeszcze większe. Gdzieś widziałem na wzmacniaczach operacyjnych i fotodiodzie odbiornik pilota IR i tam też fotodioda była pod + zasilania. Nie mogę niestety odnaleźć tego schematu, aby zobaczyć jak tam sobie z tym poradzono.

    0
  • Arrow Multisolution Day
  • #5 05 Kwi 2013 03:13
    jupi23
    Poziom 15  

    Możesz też przed wejściami zasilającymi wzmacniacza dodać oporniki np. 51Ω (od strony linii zsilających), które z pojemnościami odsprzęgającymi stworzą filtr dolnoprzepustowy. Może pomoże.

    0
  • #6 05 Kwi 2013 12:26
    marnowak
    Poziom 14  

    To co pisze jupi23 to dobry pomysł. Sprawdziłem i rzeczywiście na wyjściu wzmacniacza poziom szumów zmalał z 20mV do kilku mV, które w zasadzie mogą być nawet już tylko błędem oscyloskopu. Dałem zarówno na +5V jak i na -5V rezystor 100 Ohm, a za nim kondensator ceramiczny 1uF i 100nF.
    Pytanie, czy w przypadku takiego filtru RC mam to interpretować jako filtr 100Ohm i 1uF oraz 100Ohm i 100nF, czy też jako jeden filtr R=100Ohm i C=1.1 uF? Normalnie bez rezystora wiem, że należy interpretować kondensator uF jako filtrujący niskie częstotliwości, a 100nF dla wysokich częstotliwości.
    Czy jak dam jeszcze ceramik 10nF, to coś da w przypadku takiego filtra?

    Oscyloskopem nie sprawdzę już tego, bo jak na najniższym zakresie (2mV/dz) zewrę sygnałowy z masą, to mam linię prostą, ale jak tak zwarty do masy przyłożę do jakiegoś dłuższego przewodu, czy powierzchni metalowej to na ekranie też widzę zakłócenia rzędu kilku mV- sonda widać staje się anteną wraz z powierzchnią.

    0
  • #7 05 Kwi 2013 17:30
    jarek_lnx
    Poziom 43  

    Cytat:
    Pytanie, czy w przypadku takiego filtru RC mam to interpretować jako filtr 100Ohm i 1uF oraz 100Ohm i 100nF, czy też jako jeden filtr R=100Ohm i C=1.1 uF?

    Dla niskich częstotliwości R=100Ohm i C=1.1 uF, dla wysokich każdy kondensator to szeregowy obwód rezonansowy.

    Cytat:
    Normalnie bez rezystora wiem, że należy interpretować kondensator uF jako filtrujący niskie częstotliwości, a 100nF dla wysokich częstotliwości.
    Z rezystorem taki filtr lepiej tłumi to co przychodzi z szyn zasilających, taki filtr wykonany dla samej diody może mieć rezystor o znacznie większej wartości.
    1µF i 100nF różni się zaledwie dziesięciokrotnie, ja bym dał 100nF i 10µF.

    Cytat:

    Czy jak dam jeszcze ceramik 10nF, to coś da w przypadku takiego filtra?

    Ceramiczny 100nF SMD ma rezonans szeregowy na kilkunastu MHz więc wystarczy, jeśli to THT to też da radę, pod warunkiem że połączenia będą możliwie krótkie.

    0
  • #8 05 Kwi 2013 19:59
    _jta_
    Specjalista elektronik

    A może prosty filtr RC w zasilaniu tej fotodiody?

    0
  • #9 25 Paź 2013 13:40
    JacekWro
    Poziom 15  

    A ja się podepnę, nieco odgrzewając temat.
    Może to laickie pytanie, ale jak rzecz się ma w ogóle
    z wartością power supply kontra szumy własne?

    Z założenia wydaje się, że podniesienie napięcia zasilania
    powinno poprawić stosunek sygnał/ szum,
    z drugiej strony - czy szumy termiczne elementów kostki
    wzmacniacza nie powiększają się przy wyższych wartościach
    zasilania?

    Pytam, ponieważ również interesuje mnie zrobienie
    niskoszumnego przedwzmacniacza
    (tyle że na ultraniskoszumnej kostce LT1115)
    do wstępnego wzmocnienia małych sygnałów rzędu
    0,1 - 2 mV i nie wiem czy użyć właśnie +5/-5,
    czy np +18/-18

    0
  • #10 25 Paź 2013 13:48
    c4r0
    Poziom 36  

    A nie piszą o tym nic w nocie katalogowej? Na stronie LT powinny być też jakieś noty aplikacyjne i PDF-y z generalnymi wskazówkami dotyczącymi projektowania takich układów. Może tu? http://cds.linear.com/docs/en/design-note/DN355f.pdf Poza tym o ile wiem LT ma dość dobre modele w LTspice, może zobacz symulacyjnie jak wpływa napięcie zasilania na szumy.

    0
  • #11 25 Paź 2013 14:20
    _jta_
    Specjalista elektronik

    Moc szumów cieplnych jest proporcjonalna do temperatury bezwzględnej, a o ile ona wzrośnie, zależy np. od chłodzenia. Mniejsze napięcie może spowodować zmniejszenie wzmocnienia, a to zwiększa szumy. Tranzystory FET mają tym mniejsze szumy, im większy prąd, dlatego ultraniskoszumowe wzmacniacze mają duży prąd stopnia wejściowego. Dla tranzystorów bipolarnych jest dopasowanie ze względu na szumy, przy dobrym dopasowaniu szumy wnoszone przez tranzystor są parę razy (nawet ponad 3 razy mniejsza moc) mniejsze od szumów termicznych źródła sygnału.

    0
  • #12 25 Paź 2013 14:36
    JacekWro
    Poziom 15  

    Może nie tyle chodzi mi o konkretną kostkę,
    co o ogólną zasadę. Bo jeśli zakładamy,
    że sygnał wejściowy zawsze będzie niewielki,
    rzędu setek lub tysięcznych Volta, to dla założonej
    pętli niewielkiego wzmocnienia (co jest wskazaniem
    dla niskich szumów - np. 20 razy) oscylacje wzmocnionego
    sygnału na wyjściu wciąż będą dalekie od
    zbliżenia się do Vcc, więc wzmocnienie nie osłabnie
    w tym przypadku.

    +5/-5 to wówczas potężny zakres dla wyjścia.
    Natomiast spadki napięć w strukturze scalaka
    będą niższe niż przy maksymalnych napięciach
    zasilających, co powinno generować mniejsze
    szumy??

    Z drugiej strony, wiele not aplikacyjnych od
    producentów zawiera przykłady zastosowań
    preamplifierów małych sygnałów (mikrofon,
    hydrofon), z podanymi najwyższymi wartościami
    V+/V-.
    Stąd moje wątpliwości

    0
  • #13 25 Paź 2013 19:30
    _jta_
    Specjalista elektronik

    Nie chodzi o przesterowanie, a o zmianę charakterystyk tranzystora w funkcji napięcia - mniejsze napięcie zmniejsza prawdopodobieństwo przejścia nośnika ładunku, a te, co nie przejdą, dają wkład do szumu.

    0
  • #14 25 Paź 2013 22:24
    JacekWro
    Poziom 15  

    _jta_, czyli wynikałoby z tego, że wysokie napięcia
    są pożądane. Ciekaw jestem tylko, czy proces o którym
    piszesz ma jakiś odczuwalny wkład do szumów, jeśli
    układ jest zasilany najniższym możliwym napięciem.

    Np. dla wspomnianego przeze mnie ultraniskoszumnego
    LT1115 minimalny poziom zasilania to +4/-4 v.
    Może więc jest tak, że producent podając ten próg
    bierze pod uwagę takie procesy jakie opisujesz
    (chociaż progi napięć zasilających najczęściej są determinowane
    przez potrzebne dla prawidłowej pracy układu
    spadki napięć wewnątrz jego struktury).

    Gdyby wielkość napięcia zasilającego w zakresie
    podanym przez producenta miała zauważalny wpływ
    na powstawanie szumów termicznych w samej strukturze,
    byłby to raczej podkreślone w specyfikacji.
    A skoro jest parametr 1 nV/hz przy 1khz, to raczej tak jest
    zarówno przy min i max progu napięć zasilających.

    Czy dobrze myślę? Jeśli jest inaczej, proszę o uwagi,
    bo zależy mi na tej informacji.

    Ps:
    c4r0, pomysł z symulacją przez spice jest dobry, ale nie bawiłem się
    tym już z pięć lat... Podejrzewam, że dłużej będę sobie
    przypominał interface programu z obsługą, niż zajmie mi zdobycie
    jakichś informacji :)

    Pozdrawiam

    0