Versetzen eines Differenzverstärkers, um die Notwendigkeit einer doppelten Versorgung zu beseitigen

Ich entwickle zwei ähnliche Schaltungen, die es mir ermöglichen, die X- und Y-Koordinaten von einer segmentierten Fotodiode (vier Segmente) zu unterscheiden. Diese Koordinaten hängen von der Position eines Laserpunkts ab, der auf die Oberfläche der segmentierten Fotodiode fällt. Ich hoffe, einen Wert zwischen (0-5 V) für X und (0-5 V) für Y zu erhalten.

Quadranten-Fotodiode

Die Schaltung, auf der ich mein Design basierte, verwendete eine doppelte Versorgung (+5/-5V). In meiner Anwendung verwende ich einen Mikrocontroller mit einer 5-V-Schiene. Das Design würde auch von einer Einzelversorgung profitieren, wenn der Ausgang einen Wert zwischen 0 und 5 V hätte, da er mit dem ADC-Eingangsbereich des Mikrocontrollers kompatibel wäre. Ich möchte daher die Schaltung von einer einzigen Versorgung aus betreiben und einen Rail-to-Rail-Operationsverstärker verwenden, um die Notwendigkeit zusätzlicher Schaltungen zu beseitigen.

Ich habe ein paar verschiedene Simulationen ausprobiert, bei denen ich versucht habe, den Ausgang mit einem einfachen Spannungsteiler um 2,5 V zu versetzen, aber die Ergebnisse sind nicht das, was ich erwartet hatte.

Simulation

Kann mir jemand erklären, warum das Ergebnis so ist und was ich tun kann, um einen 2,5-V-Ausgang zu erhalten, wenn die Eingänge (A, B, C und D) 0 V sind.

Ummf. Sie werden mindestens zwei Opamps benötigen. Eine für die X-Richtung und eine für die Y-Richtung. Benötigen Sie einen Analogwert oder nur 0 und 5 V für jede Richtung?
Ich hatte anfangs den gleichen Gedanken, aber als ich die Frage erneut las: "Ich entwickle zwei ähnliche Schaltungen", folgere ich, dass die gezeigte Schaltung für eine Achse ist.

Antworten (3)

Wenn Sie A, B, C und D mit Masse verbinden (über die vier Spannungsquellen), schalten Sie R3 und R4 parallel und auch R5, R6 und R9. Am Ende erhalten Sie einen nicht invertierenden Verstärker mit einer Verstärkung von 3 (definiert durch R1, R3 und R4), der von einer Spannung von 5 V / 4 = 1,25 V (definiert durch R5, R6, R8 und R9) gespeist wird. Die Ausgangsspannung beträgt also mehr oder weniger 3,75 V.

Aber um die Frage zu beantworten, was Sie tun sollten, benötigen Sie mehr Informationen darüber, was Sie zu erreichen versuchen. Versuchen Sie, eine einzelne Ausgabe zu erstellen, die angibt, wie weit "außerhalb der Mitte" der Laserpunkt auf dem 4-Quadranten-Detektor liegt?

Warum modellieren Sie die Fotodioden überhaupt als Spannungsquellen? Aktuelle Quellen würden viel mehr Sinn machen.

Ein normaler Differenzverstärker für Spannungen sieht so aus:

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Vref stellt die Ausgangsspannung für einen "Null-Differenz"-Eingang ein. Um richtig zu funktionieren, R1 = R2 und R3 = R4.

Beachten Sie, dass die Komponenten in der gestrichelten Box auf der linken Seite das Thevenin-Äquivalent der Komponenten in der Box auf der rechten Seite sind – was Sie anscheinend mit Ihrem R8 und R9 versucht haben.

Hmm. Nachdem ich die Frage und ihre Kommentare erneut gelesen habe, glaube ich zu sehen, was Sie tun. Sie versuchen, die Ausgänge aller vier Dioden zu kombinieren, um beispielsweise die obere / untere Position des Laserpunkts zu bestimmen, und dieselbe Schaltung mit einer anderen Kombination von Eingängen, um links / rechts zu bestimmen. (Ihr grundlegender Fehler war also, dass Ihr R1 10.000 statt 20.000 sein sollte. Sehen Sie warum?)

Viel einfacher wäre es, den Sensor einfach um 45° zu drehen und zB A und C nur für oben/unten und B und D nur für links/rechts zu verwenden.

Danke für die ausführliche Antwort. Meine Schaltungstheorie ist sehr eingerostet. Ich kann der nicht-invertierenden Verstärkungsgleichung folgen und sehen, dass sie ursprünglich 3 war. Durch Ändern von R1 auf 10K erhalten wir eine Verstärkung von 1,5. Die Multiplikation mit dem Offset (1,25 V) ergibt die gewünschten 2,5 V. Mein Untergang war, nicht zu sehen, warum am nicht invertierenden Anschluss keine 2,5 V anliegen sollten. Handelt es sich um einen doppelten Spannungsteiler, wird die Spannung also durch 4 statt durch 2 geteilt?
Das Ändern von R1 auf 10k macht die Verstärkung 2. Der Punkt ist, dass R1 der parallelen Kombination von R3 und R4 entsprechen muss, unabhängig von den tatsächlichen Eingangsspannungen. Ebenso muss die parallele Kombination von R8 und R9 mit der parallelen Kombination von R5 und R6 übereinstimmen - was Sie meiner Meinung nach eher zufällig als absichtlich richtig gemacht haben!
In Bezug auf das Neigen des Sensors kommt es meines Erachtens auf die Größe des Laserflecks an. Wenn der Punkt über mehrere Quadranten fällt, wird unabhängig von der Implementierungsmethode eine X&Y-Position bereitgestellt. Wenn der Punkt jedoch kleiner ist und nur auf ein Segment fällt, dann glaube ich, dass Ihr Vorschlag nur eine Koordinate entweder X oder Y erzeugen kann. Obwohl dies immer noch zum Zentrieren des Strahls im Laufe der Zeit verwendet werden könnte, würde ich mir Sorgen machen, dass dies die Antwort verdoppeln würde Zeit zum Zentrieren des Strahls, da immer nur eine Achse bewegt werden kann.
Hoppla! Ja, ich sehe, ich habe diese Antwort total durcheinander gebracht. Wie auch immer, danke nochmal!
Nein, es würde die Reaktionszeit nicht verdoppeln. Tatsächlich wird die Antwort, obwohl sie unterschiedlich ist, genau die gleiche Zeit in Anspruch nehmen. Überlegen Sie, was passiert, wenn der Punkt zunächst nur ein Segment trifft. Mit Ihrer Ausrichtung bewegt sich der Tracker diagonal, bis der Punkt entweder die X- oder Y-Achse trifft, an welchem ​​Punkt er sich entweder horizontal oder vertikal bewegt, bis er zentriert ist. Bei der diagonalen Ausrichtung bewegt es sich zuerst entweder horizontal oder vertikal, bis es auf eine der diagonalen Begrenzungen trifft, wonach es sich diagonal bewegt, bis es zentriert ist. Gleiche Weglänge und gleiche Zeit in beiden Fällen.

Für den von Ihnen gezeigten Schaltplan liegen A, B, C und D auf GND. Die Spannung am + (nicht invertierenden) Eingang beträgt 1,25 V. Die negative Rückkopplungsschleife ist eine 20-K-Serie und ein 10-K-Shunt-Widerstand für eine nicht invertierende Verstärkung von 3,3 x 1,25 = 3,75 V. Es sieht so aus, als wäre der Ausgang tut, was es tun soll.

Das ist keine typische Fotodioden-Schnittstellenschaltung, aber ohne weitere Informationen über Ihre Diode ist es schwer zu sagen, wie sie mit Ihrer Diode funktioniert.

Abgesehen davon, benötigen Sie nicht zwei Verstärkerschaltungen, wenn Sie separate Spannungen für X und Y wünschen? Wenn Sie beispielsweise A und C entfernen, bleibt eine herkömmliche Differenzverstärkerkonfiguration übrig. Jetzt können Sie es auf eine Verstärkung von 1 mit einem Offset von 2,5 V einstellen, indem Sie R8 und R9 jeweils auf 40 K ändern.

Können Sie Ihre ursprüngliche +/-5-V-Schaltung als Ausgangspunkt posten?

"Kann mir jemand erklären, warum das Ergebnis so ist und was ich tun kann, um einen 2,5-V-Ausgang zu erhalten, wenn die Eingänge (A, B, C und D) 0 V sind." --ATDudman

weil R8 und R9 Ihren DC-Offset-Spannungsteilerzweig bilden. Ich würde vorschlagen, R8 und R9 zu entfernen und dort einen 50K-Pot einzusetzen und das Wischerkabel als Verbindung zum nicht invertierenden Eingang zu verwenden.

Stellen Sie dann das Potentiometer ein, um Ihren Spannungsoffset am Ausgang abzulesen.

Versetzen eines Differenzverstärkers, um die Notwendigkeit einer doppelten Versorgung zu beseitigen
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