Transimpedanzverstärker und Fotodiode für BFSK

Ich arbeite an meiner ersten Transimpedanz-Verstärkerschaltung und habe einige Probleme. Ich möchte ein auf eine LED moduliertes BFSK-Signal rekonstruieren. Das BFSK-Signal verwendet eine 50-kHz-Sinuswelle bei 80 mA, um eine „1“ darzustellen, und eine 30-kHz-Sinuswelle bei 10 mA, um eine „0“ darzustellen. Das Signal hat eine Datenrate von maximal 4,8 kHz. Ich verwende einen TSTA7100 für meine LED. Die Fotodiode, die ich zu verwenden versuche, ist die PC50-7-TO8 .

Ich habe meine Transimpedanz-Verstärkerschaltung gemäß diesem Video von Texas Instruments aufgebaut . Ich möchte idealerweise, dass mein Ausgang von 0 V bis 5 V reicht. Ich habe grob geschätzt, dass der Eingangsstrom meiner Fotodiode maximal 10 uA betragen würde.

Die Schaltung, die ich derzeit angeschlossen habe, ist unten dargestellt:

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Das Problem, das ich habe, ist, dass am Ausgang des Operationsverstärkers aus dem übertragenen LED-BFSK-Signal kein messbares Signal nachgebildet wird. Tatsächlich sehe ich stattdessen seltsame Wellenformen, von denen ich glaube, dass sie durch das +5-V-Schaltnetzteil verursacht werden. Ich bekomme die gleiche Wellenform, egal ob die LED ein- oder ausgeschaltet ist. Die Ausgabe (Knoten V_out) ist unten dargestellt:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Meine Fragen sind, was an dieser Schaltung falsch ist, was dazu führt, dass der Operationsverstärker das Signal der Fotodiode nicht wiederherstellt. Gibt es auch Ratschläge, wie ich die empfangene Signalqualität verbessern könnte?

Ich bin immer noch ein Anfänger mit Operationsverstärkern, daher war dies bereits eine ziemliche Lernerfahrung. Vielen Dank im Voraus für Ihre Hilfe.

Befindet sich der Versuchsaufbau in einem wirklich dunklen Raum? Verwenden Sie ein lötfreies Protoboard? Was wird die typische optische Umgebung für diesen Dioden-Empfänger-Wandler und seinen zugehörigen (angenommenen) Dioden-Sender-Wandler sein?
Die Polarität des Fotostroms ist falsch. Der Operationsverstärkerausgang versucht, negativ zu werden, aber Sie haben nur eine einzige Versorgungskonfiguration. Schauen Sie sich andere Schaltungen für Transimpedanzverstärker an, und Sie werden feststellen, dass es Konfigurationen gibt, bei denen die PD zwischen den invertierenden und nicht invertierenden Opamp-Eingängen angeschlossen ist. Versuch das. Ihre Frequenz ist nicht so hoch, dass Sie sich Gedanken über die Sperrvorspannung der Fotodiode machen müssen.
@jonk, ich bin nicht in einem dunklen Raum. Ich habe jedoch die Fotodiode mit meinen Händen abgedeckt und bekomme immer noch das gleiche verrauschte Signal. Die typische Umgebung ist ein beleuchteter Raum wie ein Labor. Ich werde einen optischen Filter um die Spitzenfrequenz der LED und Fotodiode haben
@elchambro, danke für deine Empfehlung. Ich habe Ihre vorgeschlagene Schaltung nachgeschlagen und in meinem Setup implementiert. Leider hat es an der Ausgabe nichts geändert.
Arbeiten Sie davon statt einem Video ab. Videos sind nicht gut in den Details. ti.com/tool/TIPD176
Ja, dieses Video verwendet CMOS TIA. Glauben Sie alles, was Sie lesen. aber verstehen Sie zuerst die Annahmen und Spezifikationen. Bei Fahrt mit starkem Licht (Wechselstrom > Rauschstrom) OK. aber wenn schwach unter der Umgebungstemperatur ... und ein großer Rf benötigt wird, ist der Rauschstrom von Bedeutung, weshalb CMOS besser ist, es sei denn, Sie verwenden ein zweistufiges Design
@elchambro Das sagte: "Die Zero-Bias Heresy ... Dies wird den Dunkelstrom durch die Fotodiode reduzieren, in Ordnung, aber das ist nicht das Problem, das wir lösen müssen. Der Dunkelstrom der Fotodiode ist fast nie der begrenzende Faktor in einem sichtbaren Bereich oder Nah-IR-Messung. Die Behebung dieses Nichtproblems kostet Sie einen Faktor von 5–7 × Bandbreite (oder den gleichen Faktor beim Hochfrequenz-SNR) und zerstört die Großsignallinearität, was es zu einem teuren Fehler macht. tu es nicht." - Philip Hobbs, „Building Electro-optical Systems“, Kapitel 3.5.2 Optical Detection

Antworten (3)

Die einfachste Änderung, die Sie an Ihrem Single-Rail-Fotodiodenverstärker vornehmen können, besteht darin, die Position der Fotodiode umzukehren und die Anode wie folgt zu erden: -

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Ich habe auch die Richtung des Fotodiodenstroms mit einem roten Pfeil markiert. Diese Schaltung würde nun die Rückkopplungsbeschränkungen eines Single-Rail-Operationsverstärkers erfüllen; der Ausgang steigt bei Beleuchtung von nahe 0 Volt positiv an.

Versuchen Sie jedoch nicht, dies mit einem Operationsverstärker zu verwenden. Nur Operationsverstärker, die mit Ein- und Ausgängen an der negativsten Versorgungsschiene arbeiten können, funktionieren, und der LM324 ist gut dafür.

Bei Ihrer aktuellen Schaltung müsste der Ausgang des Operationsverstärkers negativ unter 0 Volt fallen, um die Rückkopplungsregeln für einen Operationsverstärker zu erfüllen. Dies ist eindeutig unmöglich, da Ihre Schaltung keine negative Versorgungsschiene hat und der Ausgang tatsächlich auf 0 Volt klemmt, ohne dass am Ausgang ein nützliches Signal anliegt.

  1. Du hast im Video die ± Versorgung vernachlässigt. Repariere das.
  2. Mit 500 kOHm ist Ihr Rauschstrom mit Operationsverstärkern im BJT-Stil zu hoch, verwenden Sie also den FET / CMOS-Typ, beheben Sie das. Hohes R verwendet CMOS.
  3. Sie haben eine PD ohne Tageslichtsperrfilter gewählt, damit Sie das abgestrahlte 60-Hz-Licht sehen können. Beheben Sie dies mit einem Tageslichtsperrfilter oder einem IR-Passfilter oder ändern Sie die PD in einen SHARP/Vishay-Typ mit „schwarzem Kunststoff“-Filter.
  4. Sie haben keine Designspezifikationen für Ein-/Ausgänge Optischer Eingangsstrom, verfügbare Stromquelle, Licht Umgebungsspezifikationen, Lichtquelle, Ausgangsbereich, Pfaddämpfung [dB], TIA-Verstärkung [dB], Rausch-BW {v,i pro Wurzel Hz}, IC-Teile verfügbar? Erstellen Sie eine Liste mit Spezifikationen. Repariere das

Irgendwelche Fragen? Mein bester Rat .. Machen Sie immer zuerst 4) mit einer Checkliste, bevor Sie ein Design erstellen. Gute Arbeit bisher.

Wenn Sie keine anderen Teile haben, mit denen Sie arbeiten können ... sagen Sie es. Sie können PD in einem Tunnel mit Schrumpfschlauch versenken, dann gerichtet. Sie können auf Vcc/2 vorspannen und R für Vin+/- anpassen. Wenn es immer noch zu laut ist, filtern Sie Vcc mit der Reihe R, reduzieren Sie Rf auf < 10k und fügen Sie dann die AC-Verstärkung der 2. Stufe hinzu.

So messen Sie den Sensorstrom Verwenden Sie eine Last R und messen oder berechnen Sie sie

Installieren Sie dann TINA http://www.ti.com/tool/TINA-TI?keyMatch=SPICE%20DOWNLOAD&tisearch=Search-EN-everything

Dann Analysieren> Rauschen und verwenden Sie Vin = xxx uV basierend auf Ihrem Worst-Case-Test. SNR und f max BW einbeziehen. SNR für Ihr Design beachten.

Vorspannung weg von Versorgungsschienen.

Vielleicht hilft diese Antwort beim Verständnis der einzeln versorgten Schaltung:

https://electronics.stackexchange.com/a/473488/61398

Einzeln gelieferter Fotoverstärker

Transimpedanzverstärker und Fotodiode für BFSK
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