Preamplificator pentru fotodioda. Amplificatoare de fotodetectoare. Circuite de conectare a fotodiodelor

În ansamblurile de fotodetectoare, ca preamplificatoare sunt utilizate în principal două tipuri de amplificatoare: integratoare și transimpedanță.

Circuitul amplificatorului integrator este prezentat în Figura 5.6.

Figura 6.6. Circuit simplificat al amplificatorului integrator FPU

Circuitul de intrare al amplificatorului integrator (IA) este realizat folosind poarta unui tranzistor cu efect de câmp (Figura 6.7).

Elementele circuitului de intrare al FPU sunt prezentate în Figura 6.6 ca echivalent (RE, S E). Se determină rezistența echivalentă

(6.6)

unde R T este rezistența poarta-sursă, RD este rezistența fotodiodei, R1 este rezistența de polarizare a fotodiodei, R2 este rezistența de polarizare a tranzistorului.

Figura 6.7. Diagramă schematică Circuit de intrare FPU cu amplificator de înaltă impedanță

Capacitatea echivalentă se determină:

Tensiunea la intrarea amplificatorului fără a lua în considerare S E

(6.8)

unde I Ф este fotocurent, G este câștigul fotodiodei (APD).

Tensiunea la intrarea amplificatorului ținând cont de S E

(6.9)

Tensiunea de ieșire a amplificatorului

(6.10)

unde K este câștigul amplificatorului.

Combinarea unui amplificator cu un corector poate extinde lățimea de bandă a circuitului de intrare al PD la valoarea necesară

Un astfel de corector poate fi pornit după amplificator și poate furniza starea

(6.12)

Avantajele circuitului FPU cu un amplificator integrator (numit și de înaltă impedanță) sunt următoarele:

· orice lățime de bandă poate fi obținută datorită corecției;

· Zgomot redus;

· simplitatea schemei de implementare;

· integrabilitatea circuitului fotodiodei și amplificatorului.

Dezavantajele acestei scheme sunt asociate cu domeniul dinamic limitat al semnalului și cu necesitatea ajustării individuale a benzii de frecvență de câștig.

Circuitul amplificator de transimpedanță diferă de cel considerat prin prezența unui negativ părere(Figura 6.9).

Figura 6.10 prezintă o diagramă schematică a circuitului de intrare al FPU cu un amplificator de transimpedanță (TIA).

Figura 6.9. Circuit simplificat al amplificatorului de transimpedanță FPU

Figura 6.10. Schema schematică a TIU

Banda de frecvență de transmisie a FPU cu TIU este determinată din relație simplă :

(6.13)

cu condiția ca ROC<< R Э.

Astfel, prin alegerea valorilor K și R OS, se poate obține banda de frecvență de amplificare necesară.

Avantajele FPU cu TIU sunt:

· mare interval dinamic semnale de intrare;

· ușurința de reglare a benzii de frecvență de câștig fără corectori suplimentari;

· ușurința de configurare a schemei.

· posibilă instabilitate a amplificatorului la diferite adâncimi de feedback pe o bandă largă de frecvență;

· raport semnal-zgomot redus la ieșirea amplificatorului datorită rezistenței suplimentare la zgomot R OS.

Trebuie remarcat faptul că în cazul utilizării p-i-n PD, pragul de sensibilitate este determinat de zgomotul circuitului amplificator. În acest caz, zgomotul unui tranzistor cu efect de câmp este semnificativ mai mic decât zgomotul unui tranzistor bipolar, dar tranzistorul bipolar asigură o transmisie mai bună a energiei de înaltă frecvență. În cazul utilizării unui APD, zgomotul circuitului amplificator este mai puțin important, iar la coeficienți G mari (multiplicarea avalanșei) nu afectează deloc pragul de sensibilitate al fotodetectorului.

Circuitele PD considerate cu IU și TIU pot fi asociate cu un circuit electric echivalent (Figura 6.11) și cu un răspuns în frecvență de amplitudine, prin care se estimează banda de trecere (Figura 6.12).

Figura 6.11. Circuitul electric echivalent al FPU

Blocajele răspunsului în frecvență la frecvențele inferioare și superioare se datorează prezenței în circuit a unei capacități de separare SR și a condensatoarelor SVH US, S V, S D.

Valoarea inductanței echivalente L B nu este de obicei luată în considerare, deoarece valoarea j L V<< 1/(j C Э).

16. Recepție module optice (ROM). Metode de fotodetecție (detecție directă și detecție conversie). Principalele caracteristici ale ProOM.

PROM conține o fotodiodă, cascade de amplificatoare electrice, dispozitive de corecție și procesare digitală a semnalului.

Principiul construirii ProOM depinde de metoda de detectare a recepției.

Se face o distincție între fotodetecția directă și detectarea cu un convertor. Alegerea metodei de detectare este determinată de principiul modulării semnalului optic.

În detectarea directă, un semnal optic este aplicat direct unei fotodiode, în care semnalul electric este generat sub forma unui fotocurent variabil. Deoarece fotodiodele sunt sensibile la fluxul de fotoni și nu percep faza radiației optice aplicate, metoda este utilizată pentru modularea intensității.

OU

FD

PUROI

GUS

LA

RU

HF

AGC

Figura 1 – Schema generalizată a ProOM cu fotodetecție directă

Scopul blocurilor:

Op-amp – crește puterea semnalului optic (amplificator optic);

PD – convertește un semnal optic în unul electric (fotodetector);

PUS este un preamplificator electric cu zgomot redus care oferă raport maxim semnal-zgomot.

GUS este amplificatorul principal, care asigură amplificarea semnalului la nivelul necesar pentru funcționarea normală a dispozitivelor ulterioare. Ca dispozitive de amplificare sunt utilizate amplificatoare electrice integratoare (IA) și transimpedanță (TIA). Funcționarea amplificatorului este controlată de AGC.

AGC – asigură ajustarea intervalului dinamic prin modificarea amplificarii Goos sau a coeficientului de multiplicare a avalanșei al APD.

K - corector asigură corectarea răspunsului în frecvență al căii liniare și, de asemenea, elimină distorsiunile introduse de circuitul de intrare al PROM.

RU - un dispozitiv de decizie prin compararea semnalului de intrare cu o tensiune de prag generează un semnal logic unul sau zero.

HF – selectorul de frecvență de ceas generează o secvență de deschidere a ceasului pentru regenerarea semnalului și funcționarea dispozitivelor de demultiplexare.

În metoda de detectare a conversiei, radiația coerentă și stabilă de la o sursă de referință, care este un oscilator optic de referință (ROO), este amestecată în semnalul recepționat pentru a determina faza. Ca rezultat al amestecării semnalelor optice coerente, apar bătăi, care sunt înregistrate de o fotodiodă și conțin informații despre intensitatea și faza semnalului primit. Această metodă de recepție se mai numește și coerentă, deoarece este utilizată în construcția de FOTS coerente. Datele FOSP sunt dezvoltate ca sisteme de comunicații la distanță ultra-lungă.

Dacă λ c =λ oog este o recepție omodină, iar λ c λ oog este o recepție heterodină.

OU

OS

FD

PF

DM

PC

OOG

AFC

Figura 2 – PROM structural generalizat în timpul detectării cu transformare

Op-amp – Amplificator optic, crește puterea semnalului optic.

OS – mixer optic.

PD – detector foto.

PF – filtru trece-bandă.

DM – demodulator.

PC – controler de polarizare.

OOG – oscilator optic de referință.

AFC – control automat al frecvenței.

Semnalul optic primit și semnalul de la OOG interacționează într-un mixer optic (OS). O condiție necesară pentru recepția coerentă este sincronizarea semnalului recepționat și a radiației oscilatorului local. Adică polarizarea acestor semnale trebuie să fie aceeași, iar fazele trebuie să fie consistente. Prin urmare, cerințele pentru componente sunt în creștere. Laserele trebuie să fie cu bandă îngustă și să aibă fluctuații minime în fază și intensitatea radiației. Laserul heterodin trebuie să fie sincronizat în fază și frecvență cu semnalul optic recepționat. Lungimea de undă λ oog este ajustată prin reglarea automată a frecvenței (AFC). Recepția Homodyne necesită în plus bucla blocată în fază (PLL). Pentru a controla polarizarea semnalului, dacă nu se utilizează fibra de conservare a polarizării (PANDA), la recepție este instalat un controler de polarizare (PC).

Ca rezultat al interacțiunii a două semnale optice, un semnal de frecvență intermediară (IF) este eliberat la ieșirea PD, de care un semnal de informare electrică este separat folosind un demodulator (DM).

Modulul optic receptor ProOM este un dispozitiv asamblat într-o carcasă comună, format dintr-un fotodetector (fotodiodă γ sau fotodiodă avalanșă) și un preamplificator cu zgomot redus. În fig. Figura 8.22 prezintă diagrame schematice a două tipuri de PROM - cu un fotodetector conectat la un amplificator (un circuit „în linie dreaptă”) și cu un amplificator de transimpedanță, în care feedback-ul este furnizat printr-o rezistență.

Când utilizați un APD ca fotodetector, puteți modifica tensiunea de polarizare inversă aplicată acestuia și, astfel, puteți ajusta factorul de multiplicare a avalanșei fotodiodei. Acest lucru vă permite să extindeți în mod semnificativ intervalul dinamic al modulului, dar necesită prezența unei unități de control automat al câștigului în modul. În blocul AGC, tensiunea rezultată trebuie comparată cu tensiunea semnalului de referință, care determină amplitudinea semnalului de ieșire al modulului. Tensiunea de nepotrivire trebuie să fie furnizată unui circuit care controlează simultan câștigurile APD și amplificatorului.

În cazul utilizării unei diode ca fotodetector, circuitul electronic de preamplificare este simplificat. Se reduce la un detector de amplitudine dublă, un circuit de comparație și un filtru. Cu toate acestea, atunci intervalul dinamic al modulului este mult mai mic decât atunci când se utilizează o fotodiodă de avalanșă cu o unitate AGC.

În funcţie de forma în care - analogică sau digitală - sunt transmise datele prin OF, sunt necesare diferite puteri ale semnalelor optice recepţionate de fotodetector (Fig. 8.23).

Trimiteți-vă munca bună în baza de cunoștințe este simplu. Utilizați formularul de mai jos

Studenții, studenții absolvenți, tinerii oameni de știință care folosesc baza de cunoștințe în studiile și munca lor vă vor fi foarte recunoscători.

Postat pe http://www.allbest.ru/

• Conţinut
• Introducere
• 1. Principiul interacțiunii dintre un amplificator și o fotodiodă. Conversia curentului fotodiodei în tensiune
• 2. Controlul zgomotului de frecvență apărut în timpul funcționării amplificatorului
• 3. Lățimea de bandă a amplificatorului și metodele de reglare a acestuia
• 4. Combaterea interferențelor cauzate de influențe externe
• Bibliografie
• Introducere
• Dispozitivele optice bazate pe fotodiode și fototranzistori sunt unul dintre domeniile promițătoare în domeniul măsurării parametrilor proceselor fizice și tehnologice rapide, ele stau la baza senzorilor de nivel de lumină, de proximitate, de fum și de culoare.
• Să ne uităm la proprietățile unei fotodiode și la principalele modalități de a o porni. După cum se știe, o fotodiodă prezintă conductivitate unidirecțională atunci când este expusă la radiații optice. În modul fotodiodă, joncțiunea p-n este polarizată de o tensiune inversă, a cărei magnitudine depinde de fotodioda specifică: de la unități la sute de volți. Dezavantajul acestui mod este că, pe măsură ce curentul invers crește (cu creșterea iluminării), crește și nivelul de zgomot, în timp ce nivelul semnalului util rămâne în general constant.
• În modul supapă, nu se aplică nicio tensiune de la surse externe diodei, deoarece ea însăși devine o sursă de EMF cu o rezistență internă suficient de mare. În acest mod, nivelul de zgomot rămâne constant pe măsură ce nivelul luminii crește.
• Circuitul de mai sus pentru pornirea unei fotodiode vă permite să schimbați poziția rezistenței de tăiere pentru a selecta modul de funcționare al diodei. Circuitul poate fi comutat în modul supapă prin închiderea contactului mobil al rezistenței la masă. În polarizarea directă, fotodioda va reacționa și la lumină: pentru a face acest lucru, trebuie să-i schimbați polaritatea.
• Rezistența ridicată constantă este concepută pentru a împiedica dioda să experimenteze evadarea termică (datorită aplicării unei tensiuni prea mari). Fiind conectat în paralel cu sarcina (R n< 5 кОм), оно практически не ослабляет полезный сигнал. Конденсатор избавляет сигнал на выходе от постоянной составляющей, которую нет смысла усиливать при получении semnal puls, deoarece se modifică în funcție de iluminarea de fundal.
• O etapă de amplificare cu o bază comună (Fig. 1, a) sau un amplificator operațional de mare viteză (Fig. 1, b) poate fi utilizată ca sarcină într-un circuit cu o fotodiodă.
• Orez. 1. Circuite de conectare a fotodiodelor
• Utilizarea amplificatoarelor operaționale utilizate pentru amplificarea semnalului fotodiodei va fi discutată în acest curs.

Un amplificator operațional este un amplificator de curent continuu cu o intrare diferențială și, de regulă, o singură ieșire, caracterizată printr-un câștig și o rezistență de intrare de mare impedanță, precum și un feedback negativ care nu permite amplificatorului să intre în modul de autoexcitare. .

Orez. 2. Principiul introducerii feedback-ului negativ

Amplificarea semnalului cu fotodiode este una dintre principalele aplicații ale amplificatoarelor operaționale tranzistoare cu efect de câmp cu joncțiune p-n la intrări. Există multe circuite de amplificator diferite, fiecare dintre ele fiind caracterizat prin:

1. Linearitate;

2. Deplasare constantă;

3. Un anumit nivel de zgomot;

4. Lățimea de bandă.

Senzorii cu fotodiode sunt o punte între mărimea fizică măsurată (lumina) și electronică. Când se observă diferite procese fizice, lumina joacă un rol secundar în comparație cu temperatura și presiunea, dar nu și atunci când sunt necesare măsurători la distanță fără contact cu obiectul studiat.

Astfel de senzori sunt utilizați în computer tomograf, echipamente de astronavigație și microscoape electronice cu un sistem de procesare a semnalului. Fotodiodele nu sunt prea scumpe și vă permit să creați matrice de sute de senzori foto. Sarcina principală a unui circuit cu un element fotosensibil este de a converti cu precizie semnalul de ieșire al fotodiodei într-un semnal de ieșire amplificat care este dependent liniar de acesta, care este împiedicat de contradicția dintre viteză și calitate.

frecvența amplificatorului de tensiune a fotodiodei

1. Principiul interacțiunii dintre un amplificator și o fotodiodă. Conversia curentului fotodiodei în tensiune

Există două moduri de a obține un semnal de la o fotodiodă: eliminarea tensiunii sau a curentului din aceasta. Pentru a măsura tensiunea, circuitul de amplificare trebuie să aibă suficientă rezistență ca pentru a menține curentul care curge prin intrarea sa la un nivel minim.

Conform diagramei din fig. 3, a), fotodioda este conectată în serie cu intrarea amplificatorului. Circuitul de reacție este format din rezistențele R 1 și R 2; permite ca tensiunea de la fotodiodă să varieze proporțional cu tensiunea de la intrarea amplificatorului. În acest caz, raportul dintre tensiunea de ieșire și tensiunea de intrare va fi logaritmic, deoarece sensibilitatea fotodiodei se modifică în funcție de tensiunea directă aplicată acesteia.

Orez.3 . Semnalul de ieșire al fotodiodei poate fi: a) tensiune; b) curent

Sensibilitatea constantă la o tensiune aplicată constantă sugerează că este rezonabil să se utilizeze măsurarea curentului pentru a obține o dependență liniară a semnalului de ieșire de energia luminii. Feedback-ul amplificatorului operațional setează diferența de tensiune dintre intrări la zero, astfel că scăderea de tensiune pe diodă este, de asemenea, zero. Această circumstanță permite circuitului convertor curent-tensiune prezentat în Fig. 3, b), furnizează o rezistență de intrare egală cu R 1 /K u, unde K u este câștigul amplificatorului operațional cu o buclă de feedback deschisă. Deși rezistența R1 este de obicei foarte mare, rezistența de intrare rezultată rămâne neglijabilă în comparație cu rezistența de ieșire a fotodiodelor.

Curentul diodei din circuitul convertor practic nu trece prin intrarea amplificatorului operațional, fiind în întregime direcționat către feedback-ul R 1: deoarece tensiunea la ieșirea amplificatorului este egală cu produsul dintre curentul fotodiodei și rezistența R 1. Pentru a obține cel mai mare raport de conversie curent-tensiune, această rezistență trebuie să aibă o valoare nominală ridicată. Dezavantajul este că provoacă apariția unei derive semnificative a tensiunii de temperatură (datorită instabilității temperaturii curentului de intrare a amplificatorului). Pentru a compensa acest lucru, un rezistor R2 cu aceeași rezistență ca R1 este de obicei conectat la intrarea neinversoare a amplificatorului și se adaugă decuplarea capacitivă pentru a elimina cea mai mare parte a zgomotului său. Dezavantajul acestei metode este căderea de tensiune pe diodă și curentul de scurgere rezultat, care poate fi chiar mai mare decât curenții de intrare ai amplificatorului.

Rezistența rezistenței de feedback din convertor determină aproape complet nivelul de zgomot și lățimea de bandă a amplificatorului, precum și câștigul. Zgomotul introdus de rezistor are o densitate spectrală și apare la ieșirea convertorului fără amplificare. Raportul dintre creșterea semnalului de ieșire și creșterea zgomotului este proporțional cu rădăcina pătrată a rezistenței R 1 Proiectare și aplicații amplificatorului operațional: J. Graham, J. Tobey și L. Hyolsman. . Zgomotul amplificatorului operațional afectează, de asemenea, zgomotul de ieșire prin rezistența de feedback și capacitatea diodei.

Sursele de zgomot din amplificator sunt prezentate în Fig. 4 ca curent de zgomot de intrare I n și tensiune de zgomot de intrare (în diagramă - e n). Curentul de zgomot trece prin rezistorul de feedback și este amplificat în același mod ca și curentul de semnal. Dacă alegeți un amplificator operațional cu un curent de intrare de ordinul picoamperilor, atunci această componentă de zgomot va fi neglijabilă pentru valorile rezistenței de feedback utilizate.

Orez.4 . Efectul capacității diodei asupra funcționării circuitului de feedback într-un circuit de convertizor de bază Zgomotul amplificatorului operațional este amplificat mai mult și pe o bandă mai largă decât semnalul.

La prima vedere, tensiunea de zgomot de intrare a amplificatorului pare să fie transmisă la ieșire cu un câștig mic. Acest lucru este valabil pentru curentul continuu, unde câștigul de 1+R 1 /R D este menținut scăzut datorită rezistenței ridicate a diodei RD . Capacitatea diodei C D, schimbând funcționarea circuitului de feedback la frecvențe înalte, crește tensiunea de zgomot. Deoarece această capacitate și rezistența de feedback sunt de obicei destul de mari, efectul poate apărea la frecvențe destul de joase. O ilustrare a acestui lucru este prezentată în Fig. 4, b).

Cu ajutorul stâlpului pe care îl introduce, câștigul este setat la 1+C D /C S . Pentru fotodiodele mari, C D poate fi de sute de picofaradi, provocând amplificarea zgomotului de sute de ori. Acest câștig se extinde în regiunea de înaltă frecvență și este limitat de lățimea de bandă a amplificatorului operațional.

Dacă câștigul este prea mare, amplificatorul operațional oscilează singur din cauza interacțiunii cu feedback-ul, ceea ce duce la distorsiuni: depășiri ale răspunsului tranzitoriu, o creștere a constantei de timp. Pentru a evita acest fenomen, se folosește de obicei un filtru capacitiv de limitare a benzii.

Pe măsură ce rezistența de reacție în convertorul de curent crește, zgomotul total este mai întâi dominat de contribuția la zgomotul de tensiune a amplificatorului operațional, apoi de contribuția rezistorului de reacție și, în sfârșit, de câștigul maxim la frecvențe înalte. Optimizările circuitului, cum ar fi utilizarea unei fotodiode mari, trebuie luate în considerare în lumina capacității sale și a efectului său asupra zgomotului de ieșire și a sensibilității generale a circuitului. Dimensiunea mare a fotodiodei poate degrada de fapt acuratețea generală, iar îmbunătățirile sensibilității la lumină ar trebui realizate în primul rând prin mijloace optice, de exemplu, prin integrarea unei lentile în corpul fotodiodei.

2. Controlul zgomotului de frecvență apărut în timpul funcționării amplificatorului

Orez.5 . a) circuit condensator în formă de T; b) decuplarea de către un element într-un circuit de feedback rezistiv în formă de T

O altă posibilitate de adăugare a capacității este utilizarea unei rețele de rezistențe în formă de T în circuit invers, care înlocuiește de obicei rezistențele de foarte mare rezistență. Acesta din urmă este înlocuit cu Fig. 5, b) elemente cu valori mai acceptabile, dar în același timp a crescut zgomotul de joasă frecvență. Această configurație este similară cu o rețea de condensatoare în formă de T. Aici R2 și R3 atenuează semnalul la R1, astfel că acesta din urmă din partea nodului de intrare este reprezentat ca un rezistor cu o rezistență mult mai mare. Nu există o modalitate convenabilă de a compensa offset-ul DC din cauza curenților de intrare. Prin urmare, este nevoie de un rezistor cu rezistență foarte mare la intrarea neinversabilă.

Una dintre proprietățile pozitive ale unui circuit de feedback de atenuare este capacitatea de a utiliza condensatori de valori acceptabile. Plasarea unui condensator în paralel cu R2 elimină atenuarea de înaltă frecvență prin reducerea rezistenței buclei de feedback la R1.

Reducerea zgomotului de înaltă frecvență la manevrarea unui circuit în formă de T este însoțită de amplificarea acestora la frecvențe joase din cauza slăbirii semnalului de feedback din circuit. Acest lucru poate fi combatet prin utilizarea rezistențelor de valoare mică, astfel încât efectul să crească numai proporțional cu rădăcina pătrată a noului câștig de zgomot.

Adăugarea capacității la feedback este o modalitate eficientă de a reduce câștigul de zgomot, dar reduce și efectiv lățimea de bandă a semnalului. Această lățime de bandă este deja mică datorită rezistenței mari de feedback, iar rezultatul poate fi o lățime de bandă de cel mult 1 kHz. Problema zgomotului poate fi rezolvată mai rațional prin limitarea lățimii de bandă a amplificatorului exact în punctul în care lățimea de bandă a semnalului este inevitabil limitată. Apoi, câștigul de înaltă frecvență, care doar amplifică zgomotul, va fi eliminat.

Pentru a obține limitarea dorită a lățimii de bandă cu amplificatoare operaționale adecvate, un amplificator compus utilizează două amplificatoare operaționale, dintre care unul este echipat cu un circuit de control al compensației de fază, așa cum se arată în Fig. 6, a).

Pentru a controla lățimea de bandă în circuitul compozit, feedback-ul intern este adăugat la amplificatorul A 2. La DC, acest feedback este blocat de C1, iar câștigul total în buclă deschisă va fi egal cu produsul acestor câștiguri pentru fiecare amplificator, sau în acest caz, 225 dB. Scăderea răspunsului în frecvență al acestui câștig are loc sub influența polului în câștigul în buclă deschisă al amplificatorului A1 și a răspunsului integratorului specificat pentru amplificatorul A1 de elementele C1 și R3. Deoarece această declinare este cauzată de acțiunea a doi poli, trebuie limitată înainte de a traversa curba câștigului de zgomot pentru a asigura stabilitatea. Un zero este adăugat prin includerea R4. Peste frecvența acestui zero, datorită influenței lui R4, integrarea se oprește, iar funcția de transfer A2 devine egală cu câștigul amplificatorului inversor - R4 / R3. Ca rezultat, declinarea câștigului este mai mare decât cea a unui singur amplificator la frecvențe înalte. În afișarea grafică a benzii de câștig de zgomot din Fig. 6b s-a îngustat vizibil, ca și cum lățimea de bandă a amplificatorului operațional ar fi fost redusă.

Orez. 6. a) Reducerea zgomotului într-un circuit amplificator compus; b) reducerea lăţimii de bandă a zgomotului fără reducerea lăţimii de bandă a semnalului

Reducerea lățimii de bandă a zgomotului este prezentată în Fig. 6, b) zonă umbrită. Vizual nu pare semnificativ din cauza scalei logaritmice. De fapt, reducerea zgomotului este destul de semnificativă deoarece porțiunea de frecvență superioară a graficului logaritmic reprezintă cea mai mare parte a lățimii de bandă a amplificatorului. Mutarea punctului de amplificare a zgomotului unitar de la 2 MHz la 200 kHz reduce zgomotul de ieșire al lui A 1 de aproximativ trei ori. Pentru a obține același rezultat folosind derivația de feedback, ar trebui să reduceți lățimea de bandă a semnalului cu un factor de 10. Cu abordarea prezentată în fig. 6, a), această bandă nu se modifică. Amplificatorul A2 nu adaugă nici zgomot, nici offset DC, deoarece este conectat după amplificatorul cu câștig mare A2.

Arată în Fig. Tehnologia 6 este utilizată de obicei la niveluri scăzute de semnal atunci când sistemul este deosebit de sensibil la zgomot. Atunci când semnalul este mare, limitarea ratei de mișcare devine importantă, dar utilizarea unui al doilea amplificator poate îmbunătăți semnificativ situația. Limitarea ratei de mișcare este cauzată de limitarea tensiunii maxime de ieșire a lui A 1 și atenuarea acesteia în A 2. Dacă oscilația maximă a tensiunii la ieșirea A1 este de 12 V și câștigul lui A2 este -- 1/10, așa cum se arată în Fig. 6, atunci tensiunea finală de ieșire este limitată la o oscilație de 1,2 V. Pentru semnale mici, acest lucru va fi acceptabil, deoarece valorile maxime utilizate practic ale rezistenței de feedback limitează variația de ieșire.

Semnalele de nivel înalt nu sunt la fel de sensibile la zgomot și vor tolera mai bine o abordare de filtrare mai directă. Un filtru activ după un convertor convențional curent-tensiune elimină, de asemenea, zgomotul de înaltă frecvență. Plasarea stâlpului de filtru la marginea benzii de semnal are ca rezultat lățimea de bandă a sistemului care nu se extinde practic mai departe de banda de informații utile. Acest filtru nu este inclus în bucla de feedback a convertorului, astfel încât zgomotul de intrare și decalajul celui de-al doilea amplificator sunt adăugate la semnal.

3. Lățimea de bandă a amplificatorului și metodele de reglare a acestuia

Cerințele de lățime de bandă sunt o parte integrantă a discuției despre convertorul curent-tensiune din mai multe motive. Zgomotul total de ieșire crește proporțional cu rădăcina pătrată a lățimii de bandă a sistemului, deoarece este acoperit un spectru mai larg de zgomot. Există un conflict între raportul optim semnal-zgomot și lățimea de bandă a semnalului.

Limitarea finală care afectează măsurarea unor astfel de cantități, cuplarea capacitivă prin aerul din jurul corpului rezistenței, rămâne întotdeauna. Extinderea lățimii de bandă dincolo de astfel de limitări necesită o rezistență mai mică de feedback și, prin urmare, un câștig mai mic al convertorului. Unele posibilități de restabilire a câștigului sunt prezentate în Fig. 7, a). După convertorul curent-tensiune, se adaugă pur și simplu un al doilea amplificator, care aduce rezistența finală de ieșire la valoarea R T = A V R 1. Astfel, rezistența mare este redusă cu același factor pe care îl amplifică amplificatorul, iar lățimea de bandă este mărită cu același factor.

Orez.7 . a) Adăugarea câștigului de tensiune pentru a crește lățimea de bandă, menținând în același timp rezistența totală; b) grafice ale lățimii de bandă față de zgomotul de intrare (lățimea de bandă crește mai repede decât zgomotul)

Parametrii care afectează acest maxim sunt R T rezultat și lățimea de bandă a câștigului unitar al celui de-al doilea amplificator, f C . Relația dintre factorii care influențează alegerea lățimii de bandă optime este descrisă de expresia pentru calcularea R1:

Când utilizați un al doilea amplificator (A 1), banda se extinde la 100 kHz de la 3 kHz inițiali. Are cel mai mare zgomot total de ieșire, dar acest lucru se datorează din nou lățimii de bandă mari. Dacă este necesară o lățime de bandă și mai mare, atunci alegerea trebuie să fie între un amplificator operațional mai rapid, care are de obicei parametri de zgomot mai răi și rezistență mai mică. Pentru o lățime de bandă mai mică, în locul lui A 1 este necesar să instalați un amplificator cu o lățime de bandă mai mică de câștig unitario, astfel încât să puteți folosi un amplificator cu zgomot redus.

Cu condiția ca deteriorarea zgomotului să fie permisă la înlocuirea rezistenței cu câștig de tensiune, avantajele circuitului în ansamblu cresc. Dacă se ia în considerare lățimea de bandă, această îmbunătățire poate compensa scăderea raportului semnal-zgomot. S-a menționat mai devreme că un simplu convertor curent-tensiune suferă mai mult de excesul de bandă atunci când amplifică tensiunea de zgomot a amplificatorului decât atunci când amplifică semnalul de curent. Această tendință este eliminată în diagrama din Fig. 7 pe măsură ce câștigul de tensiune crește și A 2 începe să filtreze frecvențele mai mari. Acest lucru este susținut de curbele de zgomot care cresc ușor (spre deosebire de curbele de lățime de bandă) până la punctul de lățime de bandă optimă. În acest punct optim, lățimea de bandă a zgomotului se potrivește cu lățimea de bandă a semnalului. Ca rezultat, A acţionează acum ca filtru activ de ieşire discutat mai devreme.

În unele cazuri, un dezavantaj serios al schemei de mai sus este necesitatea de a utiliza două amplificatoare operaționale pentru fiecare fotosenzor: adesea sute de senzori funcționează într-o singură matrice. Un singur amplificator operațional poate fi folosit pentru a obține același câștig, dar fără rezistențe foarte mari, dacă este acceptabilă o anumită degradare a lățimii de bandă și a zgomotului. Același amplificator operațional poate efectua simultan conversia curent-tensiune și amplificarea ulterioară a tensiunii. Conform tehnologiei tradiționale, această problemă este rezolvată așa cum se arată în Fig. 8, a), unde R2 este necesar pentru a converti curentul în tensiune și R3 și R4 sunt necesari pentru a seta câștigul de tensiune. Curentul de la dioda D1 trece prin rezistorul R2, rezultând o tensiune de semnal care apare la intrarea neinversoare a amplificatorului operațional. Cu toate acestea, această tensiune este aplicată și fotodiodei și, din această cauză, apare neliniaritatea, așa cum s-a descris mai devreme.

Orez. 8. Conversia simultană a curentului în tensiune și amplificarea tensiunii pe unul singur amplificator operațional: a) efectul tensiunii nedorite asupra diodei; b) eliminarea influenţei prin conectarea unei diode între intrările amplificatorului operaţional

În schimb, fotodioda este conectată direct între intrările amplificatorului operațional și este apoi menținută la tensiune zero. După cum se arată în Fig. 8, b), rezistențele îndeplinesc aceleași funcții ca și în circuitul anterior, dar funcția de transfer a circuitului va fi liniară. Curentul de la fotodiodă trece și prin R2, creând aceeași tensiune de semnal. Acest curent curge și în circuitul de feedback, dar are un efect mai mic datorită rezistenței mai mici a rezistențelor.

Zgomotul de ieșire rezultat de la rezistorul din circuitul de bază crește proporțional cu rădăcina pătrată a câștigului de tensiune. Există o componentă mică adăugată aici datorită eliminării amplificatorului operațional ca sursă de îmbunătățire a câștigului. Cu toate acestea, o nouă sursă este inclusă în Fig. 8, b), din nou datorită capacității diodei, așa cum se arată în Fig. 9, a). Tensiunea de zgomot a amplificatorului acționează direct peste capacitate, generând un curent de zgomot care circulă prin R2. Rețeaua de feedback capacitiv, formată din C D și C ICM, produce un câștig de zgomot al cărui maxim este 1 + C D / C ICM și care există în plus față de câștigul normal de zgomot al amplificatorului neinversător.

Orez.9 . a) Circuit cu capacitatea fotodiodei care adaugă feedback la circuitul din Fig. 7b; b) graficul câştigului

Efectul asupra răspunsului în frecvență este prezentat în Fig. 9b și provoacă, de asemenea, o creștere a câștigului de zgomot la frecvențe înalte. Acest lucru se întâmplă la frecvențe mai mari decât într-un circuit de bază al convertorului curent-tensiune, deoarece se aplică o rezistență mai mică, iar această creștere este rezolvată mai rapid datorită declinului răspunsului în frecvență al amplificatorului operațional. Pentru dioda de capacitate mică utilizată în ambele circuite de exemplu, acum acoperă o zonă mică pe grafic, ceea ce reduce, în consecință, impactul zgomotului. Pentru diodele mari, totuși, acest efect este prezent, așa cum arată linia întreruptă pentru o capacitate de aproximativ 200 pF. Porțiunea din spectrul acoperită de boost nu se află la capătul superior al lățimii de bandă a amplificatorului, așa cum a fost în designul de bază. Prin urmare, zgomotul op-amp nu a fost o sursă majoră.

4. Combaterea interferențelor cauzate de influențe externe

Deoarece există limite pentru reducerea zgomotului circuitului, trebuie luate în considerare și sursele externe de zgomot. Convertorul curent-tensiune este extrem de sensibil la interferența de la surse electrostatice, magnetice și de radiofrecvență. Aceste surse necesită atenție la ecranarea, împământarea și plasarea fizică a componentelor Morrison, R. Grounding and Shielding Techniques (ed. a doua, New York, 1986). , altfel contribuția lor la zgomotul dispozitivului va fi principala..

Deoarece cuplarea electrostatică are loc cel mai adesea la frecvența rețelei și apoi este aceeași în toate punctele circuitului, este un candidat natural pentru eliminarea prin respingerea modului comun într-un amplificator operațional. La această frecvență, factorul de respingere a modului comun este foarte mare, dar nu este utilizat într-un circuit convențional de convertizor curent-tensiune. Aceasta este o consecință a unei configurații de intrare cu un singur capăt în loc de una diferențială, dar aceasta din urmă poate fi utilizată pentru a îmbunătăți respingerea zgomotului, precum și pentru a reduce eroarea DC.

Amplificatorul operațional cu intrare diferențială este foarte potrivit pentru semnalul fotodiodei. Deoarece fotodioda generează un semnal de curent, aceasta este disponibilă pe ambele terminale ale acestui senzor și poate fi conectată la ambele intrări ale amplificatorului, așa cum se arată în Fig. 10a. Aici, curentul diodei nu mai revine la masă, ci este furnizat la intrarea neinversoare a amplificatorului. Aceasta creează o a doua tensiune de semnal care dublează câștigul circuitului atunci când R 1 = R 2 pentru a compensa. Pentru o anumită valoare a câștigului, rezistențele ar trebui să fie doar jumătate din valoarea lor normală pentru a reduce în mod similar eroarea de la curenții de intrare ai amplificatorului. De asemenea, nu există o tensiune constantă pe fotodiodă, deoarece este conectată între intrările amplificatorului operațional. Și deoarece tensiunea dintre intrări este practic zero, nu există curent de scurgere de la fotodiodă.

Orez.10 . Folosind raportul de respingere în mod comun al unui amplificator operațional: a) aplicarea unui semnal la o intrare diferențială; b) slăbirea conexiunii electrostatice

Pentru majoritatea cazurilor de cuplare electrostatică cu fire de alimentare la frecvența rețelei, manevra capacitivă descrisă are doar un efect minor. Pentru a suprima mai bine frecvențele înalte, trebuie fie să adăugați un condensator în paralel cu R1, fie să furnizați un semnal constant la condensatorul de intrare. Ultima opțiune vă eliberează de limitările lățimii de bandă - la fel ca atunci când utilizați o a doua conexiune diferențială. După cum se arată în Fig. 11, o fotodiodă este conectată între intrările a două convertoare curent-tensiune, ale căror ieșiri sunt conectate la intrările unui amplificator diferenţial. Curentul fotodiodei trece prin două rezistențe identice care sunt supuse aceluiași cuplaj de zgomot electrostatic. Curentul diodei creează un semnal diferențial între rezistențe, iar cuplarea de zgomot generează un semnal de mod comun. La trecerea prin blocul cu amplificatorul A 3 (evidențiat în zona galbenă), aceste semnale sunt separate: semnalul diodei trece la ieșire, iar semnalul de zgomot este suprimat.

Orez. 11 . Amplificator cu intrări diferențiale cu o lățime de bandă de câștig mare (capacitanțele de intrare în modul comun ale amplificatoarelor sunt conectate la pământ virtual)

Intrările neinversoare ale ambelor convertoare curent-tensiune sunt împământate, astfel încât ambele borne ale diodei sunt setate la tensiune zero. În plus, acest circuit elimină apariția unui semnal pe condensatorii de intrare în mod comun, crescând astfel banda de amplificare a semnalului și suprimând interferența electrostatică. Intrările neinversoare nu sunt conectate printr-o rezistență mare pentru a corecta erorile de la curentul de intrare, deoarece A 1 și A 2 generează tensiuni potrivite la ieșirile lor. Aceste tensiuni sunt intrarea în modul comun în blocul de capăt și, prin urmare, sunt suprimate.

O altă funcție pe care circuitul diferențial din Fig. 11 este o măsurătoare diferențială a semnalelor de la două fotodiode. În loc de D 1, o diodă separată este conectată la intrarea fiecărui convertor curent-tensiune. Aceste diode sunt prezentate în Fig. 11 linii întrerupte. Curenții lor generează tensiuni independente la ieșirile A 1 și A 2, după care trec printr-un amplificator diferențial pentru a elimina componenta de mod comun. Tensiunea de ieșire rămasă este proporțională cu diferența dintre cei doi fotocurenți de intrare ca măsură a iluminării relative. Acest semnal este utilizat în senzorii de poziție sau în urmărirea pistei optice ca semnal de feedback.

Cuplarea zgomotului magnetic poate fi mai dificil de eliminat decât cuplarea zgomotului electrostatic, dar impactul său este redus și atunci când sunt utilizate intrări diferențiale. În acest caz, cuplarea are loc prin inductanță reciprocă, astfel încât sarcina principală este de a minimiza dimensiunea buclelor conductorului împreună cu ecranarea și separarea maximă a sursei și receptorului de interferență. Influența sa nu este eliminată de un scut electrostatic, așa că primul pas trebuie să fie suprimarea interferenței direct la sursa sa. Transformatoarele de putere care nu pot fi îndepărtate suficient trebuie să fie ecranate pentru a se asigura că majoritatea câmpurilor lor magnetice rămân în interiorul transformatorului. Conexiunile magnetice rămase acționează prin configurații fizice și de circuit. Rezistoarele de valoare mare utilizate în amplificatoarele cu transimpedanță sunt sensibile la acest efect, iar conexiunile dintre aceste rezistențe și intrările de mare impedanță ale amplificatoarelor operaționale ar trebui să fie cât mai scurte posibil. Zgomotul rămas este făcut în mod comun prin potrivirea formei și dimensiunii conductorilor, astfel încât amplificatorul operațional să-l respingă. În fig. 10, 11, rezistența mare este împărțită între două elemente identice care sunt montate fizic în aceeași orientare și la aceeași distanță față de sursa de interferență magnetică. Interferența indusă între două rezistențe în acest caz creează semnale identice, care sunt suprimate la ieșirea amplificatorului.

Al treilea tip de interferență - frecvența radio - este mai puțin atenuată de amplificatoare, așa că principalele modalități de a face față acesteia sunt ecranarea și filtrarea. Sursele de interferență RF pot fi în apropierea circuitului fotodiodei (de exemplu, circuitele digitale, care se găsesc cel mai frecvent în sistem). La frecvențe înalte, amplificatoarele operaționale au un câștig mic și puțină respingere a modului comun și, prin urmare, nu pot respinge semnalele RF. Datorită acestor limitări ale amplificatorului operațional și limitării lățimii de bandă în circuitul principal al convertorului curent-tensiune, semnalele testate nu pot fi în domeniul de frecvență radio. Filtrarea poate fi folosită pentru a elimina semnalele nedorite dacă poate fi aplicată la intrarea amplificatorului. Filtrarea post-amplificator este mai puțin eficientă, deoarece op-amp-ul poate acționa ca un detector RF, separând frecvențele inferioare de purtător. Reduceri suplimentare ale acestor tipuri de zgomot pot fi realizate prin utilizarea scuturilor RF și a straturilor de masă pe placa de circuit imprimat.

Bibliografie

1. Traducerea articolului despre amplificatoarele operaționale „Monitorizarea fotodiodelor cu amplificatoare operaționale”, autor - specialist principal la Burr-Brown (Texas Instruments): http://www.kit-e.ru/articles/usil/2009_02_46.php

2. J. Graham, J. Tobey și L. Huelsman. Proiectarea și aplicarea amplificatoarelor operaționale: http://www.znvo.kz/books/42-pnpnpn/549-grema.html

3. Horowitz P., Hill W. - Arta proiectării circuitelor. Volumul 1, ediția a 3-a:

http://publ.lib.ru/ARCHIVES/H/HOROVIC_Paul%27,_HILL_Uinfild

4. Presnukhin L., Vorobyov N., Shishkevich A. - Calculul elementelor dispozitivelor digitale: http://www.toroid.ru/presnuhinLN.html

Documente similare

Studiul funcționării unui amplificator integrat în diverse moduri. Conectarea unui amplificator ca repetitor. Măsurarea tensiunii de intrare și de ieșire. Determinarea frecvenței de trecere a amplificatorului. Analiza metodelor de obținere a câștigului mare la frecvență înaltă.

lucru de laborator, adaugat 18.06.2015


Dezvoltare schema electrica amplificator rezistiv. Construirea unei hiperbole de dispersie în regim static. Formula pentru calcularea ecuației liniei de sarcină. Determinarea parametrilor de curent, a lățimii de bandă și a lățimii de bandă de câștig în modul dinamic.

test, adaugat 14.05.2014


Calculul parametrilor unui amplificator, a cărui intrare este alimentată cu o tensiune de semnal cu o amplitudine dată de la o sursă cu o rezistență internă cunoscută. Determinarea eficienței unui amplificator cu un feedback comun de curent negativ paralel și curent total.

sarcină, adăugată la 01/04/2011


Analiza implementării circuitului amplificatorului. Formarea unui model matematic de sinteza amplificatoare parametrice. Caracteristicile coeficientului de transfer de tensiune. Studiul influenței parametrilor variabili ai amplificatorului asupra caracteristicilor frecvenței.

lucrare curs, adăugată 16.09.2017


Studiul funcționării amplificatoarelor de curent continuu folosind tranzistori și circuite integrate. Determinarea câștigului de tensiune. Amplitudinea caracteristică a amplificatorului. Dependența tensiunii de ieșire de tensiunea de alimentare a rețelei pentru amplificatorul de curent.

lucru de laborator, adaugat 31.08.2013


Dezvoltarea unui amplificator de semnal electric format din trepte de preamplificare. Calculul unui amplificator de putere push-pull fără transformator. Determinarea unei cascade cu OE folosind o metodă grafico-analitică. Amplificatoare echilibrate (diferențiale).

lucrare de curs, adăugată 03.09.2013


Determinarea parametrilor de funcționare ai unui amplificator de curent în două trepte cu cuplare directă, realizat pe tranzistoare cu germaniu (Ge) din structura n-p-n conform indicatorilor specificati. Calcule de bază ale indicatorilor de conversie a tensiunii și factorilor de câștig.

lucrare practica, adaugata 01.04.2011


Dezvoltarea unui amplificator de curent folosind instrumente de proiectare asistate de calculator. Modelarea unui amplificator de curent în Multisim. Calculul dimensiunilor, amplasarea componentelor radio-electronice pe o placă de circuit imprimat, trasarea acesteia folosind un algoritm de undă.

lucrare curs, adaugat 21.10.2015


Scopul și descrierea bornelor amplificatorului inversor DC K140UD8. Luarea în considerare a parametrilor de referință și a circuitului de bază al amplificatorului operațional. Calculul erorilor de derivare a tensiunii de polarizare pe baza temperaturii și a curentului de intrare.

rezumat, adăugat 28.05.2012


Caracteristicile amplificatorului ca unitate principală în aparate de automatizare, telemecanică, informatică și de măsurare a informațiilor. Principiul de funcționare al unui amplificator cu mai multe trepte cu calculul fiecărei trepte și construcția caracteristicilor de ieșire și intrare.

Invenţia se referă la un dispozitiv pentru amplificatoare pentru fotodetectoare, şi anume la un dispozitiv pentru un amplificator cu fotodiodă pentru un detector de incendiu de fum. Rezultat tehnic: compensarea semnalului de interferență la bornele fotodiodei, care ca urmare crește imunitatea la zgomot a detectorului de incendiu de fum și reduce costul acestuia datorită eliminării ecranării. Amplificatorul (Fig. 1) conține un amplificator diferențial (DA) (2) cu o sursă de tensiune de alimentare (1) echipată cu un modelator de potențial (FP) (3) situat în domeniul de potențial al tensiunii sursei de alimentare, în timp ce fotodioda bornele (4) sunt conectate la intrările telecomenzii (2). Sunt introduse primul și al doilea rezistor (P) (5, 6), prima intrare a telecomenzii (2) este conectată la FP (3) prin primul P (5), iar a doua intrare a telecomenzii (2) este conectat la FP (3) prin al doilea P ( 6), iar primul și al doilea P (5, 6) au valori de rezistență egale. Pentru a funcționa în modul de impuls (Fig. 2), ieșirile fotodiodei (4) sunt conectate la intrările telecomenzii (2) prin condensatori (7) de dimensiuni egale, iar fotodioda (4) este derivată de un rezistență (8). 1 salariu f-ly, 2 ill.

Desene pentru brevetul RF 2410833

Invenţia se referă la un dispozitiv pentru amplificatoare pentru fotodetectoare, în special la un dispozitiv pentru un amplificator cu fotodiodă pentru un detector de incendiu de fum.

Un circuit amplificator cunoscut pentru o fotodiodă a unui detector de incendiu de fum include un amplificator liniar cu tranzistor cu o sursă de tensiune de alimentare, în care fotodioda este conectată între plusul sursei de alimentare și intrarea liniarului. amplificator cu tranzistori(vezi www.unitest.ru, Manual de utilizare pentru detector de fum de incendiu IP 212-49AM).

Dezavantajul circuitului cunoscut este imunitatea insuficientă la zgomot și dependența câștigului de tensiunea de alimentare a amplificatorului. Acest lucru necesită ecranarea amplificatorului și a fotodiodei, stabilizarea sursei de alimentare a amplificatorului, ceea ce crește costul designului.

Cel mai apropiat ca esență tehnică și rezultatul obținut de circuitul revendicat este circuitul amplificator al unei fotodiode a unui detector de incendiu de fum, care include un amplificator diferențial cu o sursă de tensiune de alimentare echipată cu un modelator de potențial situat în domeniul potențial al sursei de alimentare. sursa de tensiune, la care este conectată prima intrare a amplificatorului diferențial, precum și o fotodiodă , conectată la a doua intrare a amplificatorului diferențial și la unul dintre polii sursei de tensiune de alimentare (a se vedea www.irset.spb.ru . Pașaport pentru detector de fum de incendiu IP 212-3SU).

Dezavantajul circuitului amplificator cu fotodiodă cunoscut este imunitate insuficientă la zgomot, care necesită, de asemenea, ecranarea amplificatorului și a fotodiodei.

Lipsa imunitații la zgomot a circuitului amplificator de fotodiodă cunoscut se explică prin conditii diferite fluxul de curent la intrările amplificatorului atunci când fotodioda este expusă la tensiune de interferență. Efectul zgomotului pe fiecare dintre cele două terminale ale fotodiodei este diferit, chiar dacă efectul este același la ambele terminale ale fotodiodei. Acest lucru se datorează faptului că condițiile de propagare a interferenței în sursa de alimentare conectată la pol și a doua bornă a fotodiodei sunt diferite și, mai precis, rezistențele pentru fluxul curentului de interferență de la punctul de influență la polul sursei de alimentare a amplificatorului este diferit. Când este expusă la interferențe, sarcina indusă la bornele fotodiodei curge către polii sursei de alimentare, iar pe calea acestor curenți există elemente ale circuitului electric care formează divizoare de tensiune și formează o diferență de potențial la intrările de amplificatorul diferenţial, care creează un semnal de interferenţă suplimentar care se însumează cu semnalul principal de la fotodiodă şi îl împiedică transmisie corectă. Datorită faptului că în circuitul cunoscut, căile de curent și rezistențele elementelor circuitului electric nu sunt identice, atunci, cu aceeași energie de interferență pe ambele ieșiri ale fotodiodei, potențialul la intrările amplificatorului este nu la fel: apare o diferență de potențial cauzată de interferență, care reduce imunitatea la zgomot și limitează domeniul de aplicare al amplificatorului.

Această aplicație rezolvă problema creșterii imunității la zgomot a circuitului amplificator fotodiodă în timpul funcționării unui detector de fum de incendiu, reducând în același timp costul proiectării acestuia prin eliminarea ecranării.

Problema este rezolvată prin faptul că, în circuitul amplificatorului fotodiodei, care include un amplificator diferențial cu o sursă de tensiune de alimentare echipată cu un modelator de potențial situat în domeniul de potențial al sursei de tensiune de alimentare, bornele fotodiodei sunt conectate la intrările amplificator diferenţial, în timp ce prima intrare a amplificatorului diferenţial este conectată la divizorul de tensiune prin primul rezistor, iar a doua intrare a amplificatorului diferenţial este conectată la divizorul de tensiune printr-un al doilea rezistor, iar primul şi al doilea rezistor au rezistenţă egală valorile.

Este de preferat să funcționeze în modul impuls prin conectarea cablurilor fotodiodei la intrările amplificatorului prin condensatoare de dimensiuni egale și ocolirea fotodiodei cu un rezistor cu o valoare a rezistenței în intervalul 100 kOhm-10 mOhm. În acest caz, componenta constantă a semnalului nu va trece la intrarea amplificatorului, iar sarcina indusă va curge prin rezistorul de șunt.

Esența invenției este următoarea.

În acest circuit amplificator cu fotodiodă, condițiile pentru fluxul de curent cauzat de interferență sunt aceleași atât pentru ieșirile fotodiodei, cât și pentru intrările amplificatorului diferențial conectat direct la acestea, deoarece pentru fiecare dintre ele rezistența dintre punctul de interferență și orice pol al sursei de alimentare este același datorită prezenței rezistențelor de valori egale. În acest sens, tensiunea semnalului de interferență în modul comun este compensată, tensiunea la intrările amplificatorului nu conține semnalul de interferență și nu distorsionează semnalul util. Nivelul semnalului de interferență este redus de mii de ori, permițând detectorului să funcționeze stabil chiar și în condiții de interferență ultra-înaltă, în care, la utilizarea circuitului prototip, tensiunea de interferență ar fi mult mai mare decât semnalul util.

Esența invenției este ilustrată printr-un exemplu nelimitator al implementării acesteia și prin desenele însoțitoare, în care:

Fig.1 - prezintă un circuit amplificator cu fotodiodă pentru cazul de măsurare semnal continuu;

Fig. 2 prezintă o diagramă a unui amplificator cu fotodiodă pentru cazul măsurării unui semnal de impuls.

Pentru a explica esența invenției, în desene sunt introduse următoarele simboluri:

1 - alimentare; 2 - amplificator diferential; 3 - generator de potențial situat în domeniul de potențial al sursei de tensiune de alimentare; 4 - fotodioda; 5 - primul rezistor; 6 - al doilea rezistor; 7 - condensatoare; 8 - rezistență de șunt.

Circuitul amplificator cu fotodiodă pentru cazul măsurării unui semnal continuu este ilustrat în Fig. 1. Amplificatorul cu fotodiodă conține un amplificator diferențial 2 conectat la polii sursei de alimentare 1 și un modelator de potențial 3 situat în domeniul de potențial al sursei de tensiune de alimentare. Formatorul de potențial 3 este proiectat ca un divizor de tensiune rezistiv. Ieșirile fotodiodei 4 sunt conectate între intrările inversoare și neinversoare ale amplificatorului diferențial 2, în timp ce intrarea inversoare a amplificatorului este conectată la formatorul de potențial 3 prin primul rezistor 5, iar intrarea neinversătoare a amplificatorului. amplificatorul este conectat la formatorul de potențial 3 prin al doilea rezistor 6, iar primul și cel de-al doilea rezistor au valori egale de rezistență 100 kOhm.

Valoarea de rezistență preferată a primului și celui de-al doilea rezistor este de 100 ohmi - 10 mohmi.

Circuitul de amplificare a fotodiodei este fie plasat într-un câmp electromagnetic care creează interferențe, fie o tensiune de mod comun de la un generator este aplicată la ambele terminale ale fotodiodei. Tensiunea de interferență la ieșirea amplificatorului diferențial 2 este măsurată. Ca urmare a compensării, tensiunea de interferență, recalculată ținând cont de câștigul amplificatorului diferențial 2, se dovedește a fi de mii de ori mai mică decât tensiunea de zgomot de mod comun furnizată. de la generator. Pentru a simula condițiile de propagare a interferenței într-un amplificator dezechilibrat, rezistența 5 este oprită. Ca urmare a influenței semnalului de interferență, amplificatorul diferențial 2 intră în saturație. În condiții similare, circuitul conform prototipului intră și el în saturație atunci când se aplică o tensiune de interferență.

Circuitul amplificator cu fotodiodă pentru cazul măsurării unui semnal de impuls este ilustrat în Fig. 2. Amplificatorul cu fotodiodă conține un amplificator diferențial 2 conectat la polii sursei de alimentare 1 și un formator de potențial 3 situat în domeniul de potențial al sursei de tensiune de alimentare. Formatorul de potențial 3 este realizat sub forma unui model de potențial de diodă. Ieșirile fotodiodei 4 sunt conectate între intrările inversoare și neinversoare ale amplificatorului diferenţial 2 prin condensatoare 7 de valori egale (din intervalul de la 100 pF la 10 nF), în timp ce intrarea inversoare a amplificatorului diferenţial 2 este conectat la formatorul de potențial 3 prin primul rezistor 5, iar intrarea neinversătoare a amplificatorului este conectată la formatorul de potențial 3 prin al doilea rezistor 6, iar primul și cel de-al doilea rezistor au valori egale de rezistență de 510 kOhm.

Circuitul amplificator al fotodiodei este plasat într-un câmp electromagnetic care creează interferențe sau o tensiune de mod comun de la un generator este aplicată la ambele borne ale fotodiodei. Tensiunea de interferență la ieșirea amplificatorului diferențial 2 este măsurată. Ca urmare a compensării, tensiunea de interferență, recalculată ținând cont de câștigul amplificatorului diferențial 2, se dovedește a fi de mii de ori mai mică decât tensiunea de zgomot de mod comun furnizată. de la generator. Pentru a simula condițiile de propagare a zgomotului într-un amplificator dezechilibrat, rezistența 5 este oprită, ca urmare, amplificatorul diferențial 2 intră în saturație. În condiții similare, circuitul conform prototipului intră și el în saturație atunci când se aplică o tensiune de interferență.

Avantajele acestui circuit amplificator sunt asigurate de faptul că, ca urmare a creării de condiții identice pentru propagarea zgomotului atât la ieșirile fotodiodei, cât și la intrările amplificatorului, compensarea tensiunii și curentului zgomotului de mod comun este realizat. Acest lucru face posibilă creșterea imunității la zgomot a unui detector de incendiu de fum care conține o fotodiodă și reducerea costului acestuia prin eliminarea necesității de ecranare.

Invenția poate fi utilizată și pentru a funcționa ca parte a altor dispozitive fotografice, de exemplu fotometre, al căror design include o fotodiodă, al cărei semnal trebuie amplificat.

REVENDICARE

1. Circuit amplificator fotodiodă, incluzând un amplificator diferențial cu o sursă de tensiune de alimentare echipată cu un modelator de potențial situat în domeniul de potențial al sursei de tensiune de alimentare, în timp ce ieșirile fotodiodei sunt conectate la intrările amplificatorului diferențial, caracterizat prin aceea că prima intrare a amplificatorului diferenţial este conectată la formatorul de potenţial prin primul rezistor, iar a doua intrare a amplificatorului diferenţial este conectată la formatorul de potenţial printr-un al doilea rezistor, iar primul şi cel de-al doilea rezistor au valori de rezistenţă egale.

2. Circuit conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că cablurile fotodiodei sunt conectate la intrările amplificatorului diferenţial prin condensatoare de dimensiuni egale, iar fotodioda este derivată de un rezistor cu o valoare a rezistenţei în domeniul de 100 kOhm. -10 mOhm.

Mă joc de multă vreme cu ideea de a o încerca LED ca fotosenzor- aceasta este aceeași diodă semiconductoare din care dezvoltatorii au depus toate eforturile pentru a asigura lumina maximă joncțiune p-n a ieșit, și deci în direcția opusă. Și apoi prietenul meu trebuia urgent să raporteze despre progresul proiectului spectrometrului cu transformată Fourier. Acolo trebuie să amplifice și să digitizeze semnalul de la fotodetector. Desigur, acești fizicieni au întotdeauna totul foarte special: au un fotosenzor pentru o lungime de undă specială, iar iradiatorul este un laser. Ca amplificator, ei doreau să aibă doar cele mai precise amplificatoare operaționale și chiar și într-un circuit cu calibrare automată la zero. Dar pentru primul tovarăș „ciob”, cel mai simplu model de fotodetector ar fi potrivit - pentru a avea ceva pentru care să prezinte Intrare ADC. În general, aceasta a fost o ocazie ideală pentru mine de a încerca diferite combinații de LED-uri în combinație cu cele clasice circuit de amplificare a curentului fotodiodei pe un amplificator operațional ieftin cu intrări bazate pe tranzistoare cu efect de câmp de joncțiune p-n.

Selectarea amplificatorului operațional

Ei bine, da, TL072 va fi puțin mai rău... dar astăzi este de multe ori mai ieftin! 🙂 Alegerea a fost făcută. Iată, de fapt, circuitul amplificatorului fotocurent:

Vom selecta valoarea lui R în funcție de condiții. Filtrele de putere nu sunt atât de necesare aici, dar pentru măsurători preciseși/sau zgomotos și semnale slabe- mereu bine.

Prima clătită este roșie-roșie

În primul rând, am luat două LED-uri roșii identice de 1,7V cu luminozitate crescută. Le-a pus nas la nas. Emițătorul a fost alimentat de propriul generator simplu de undă pătrată de testare. Curentul prin emițător a fost de aproximativ 15mA. Semnalul s-a dovedit a fi foarte slab. Pentru a vedea ceva util pe osciloscop, a trebuit urgent să lem la pământ baza plăcii de breadboard și să răsucesc firele de semnal.

Valoarea R a fost de 4,7 MΩ pentru a se asigura că orice poate fi văzut la ieșire, ceea ce a dus la mult zgomot și multe interferențe :)

Nu puteam oferi asta unui tovarăș care nu avea încă foarte multă experiență în electronică ca material pentru un raport de succes.

Cuplu dulce

Adevărata minune s-a întâmplat când am înlocuit LED-ul care emite roșu cu unul verde insuportabil de strălucitor la 3 volți: oscilația semnalului a crescut de 100 de ori! Acest lucru era deja ușor de consolidat și nerușinat de arătat.

Apoi am încercat mai multe combinații diferite LED-emițător/LED-fotodetector. Cumva nu am fost impresionat de perechile IR - toate opțiunile pe care le aveam în stoc s-au dovedit a fi mult mai proaste decât perechea dulce verde-roșu. LED-urile albe și albastre ca emițători au fost, de asemenea, clar inferioare celor verzi în combinație cu oricare dintre candidații fotodetectorului pe care i-am avut. Dar un LED portocaliu cu luminozitate crescută cu 1,7V a produs un semnal de trei ori mai mare, fiind iluminat cu aceeași lumină verde ca în primul experiment reușit. Iată cum arăta semnalul pe ecranul de oscilație, R=91KOhm:

Să accelerăm

Fronturile sunt deja vizibil copleșite. Depășirea vârfurilor din bucla de feedback negativ sunt vizibile. Dar este totuși un semnal frumos, destul de potrivit pentru o anumită gamă de aplicații.

Reteta pentru succes

Dacă din orice motiv aveți nevoie de o opto-pereche cu canal deschis, dar nu aveam la îndemână un dispozitiv de marcă gata făcut, vă recomand cu căldură să folosiți rețeta mea recent testată:

• Luminos de 3 volți LED verde la fel de emițător
• Simplu portocale pe LED de 1,7 V la fel de fotodetector A
• TL071 sau similar pentru amplificator
• Rezistorul din circuitul de feedback este de 1 MΩ pentru început, apoi selectăm
• Ecrare îngrijită și putere curată

Fii generos!

Dacă vi se pare interesant acest subiect, voi primi cu plăcere comentarii, întrebări și sfaturi.

Gândește-te la prietenii tăi: poate cineva din cercul tău de pe o rețea de socializare va ajuta acest articol la scrierea unui curs sau la promovarea unui proiect de acasă despre construcția de robot? Distribuie link-ul acum!

Cu salutari calde :)