Фотодиод операционный усилитель. Усилители фотоприемных устройств. Схемы включения фотодиодов. Устройство слежения за движущимся источником света

25.03.2019

Изобретение относится к устройству усилителей для фотоприемников, а именно к устройству усилителя фотодиода дымового пожарного извещателя. Технический результат: компенсация сигнала помехи на выводах фотодиода, что в результате повышает помехозащищенность дымового пожарного извещателя и снижает его стоимость за счет отказа от экранирования. Усилитель (фиг.1) содержит дифференциальный усилитель (ДУ) (2) с источником напряжения питания (1), снабженным формирователем потенциала (ФП) (3), лежащего в интервале потенциалов напряжения источника питания, при этом выводы фотодиода (4) подключены к входам ДУ (2). Введены первый и второй резисторы (Р) (5, 6), первый вход ДУ (2) соединен с ФП (3) через первый Р (5), а второй вход ДУ (2) соединен с ФП (3) через второй Р (6), причем первый и второй Р (5, 6) имеют равные значения сопротивления. Для работы в импульсном режиме (фиг.2) выводы фотодиода (4) подключены к входам ДУ (2) через конденсаторы (7) равной величины, а фотодиод (4) шунтирован резистором (8). 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Рисунки к патенту РФ 2410833

Изобретение относится к устройству усилителей для фотоприемников, в частности к устройству усилителя фотодиода дымового пожарного извещателя.

Известна схема усилителя фотодиода дымового пожарного извещателя, включающая линейный транзисторный усилитель с источником напряжения питания, в которой фотодиод включен между плюсом источника питания и входом линейного транзисторного усилителя (см. www.unitest.ru, Руководство по эксплуатации пожарного дымового извещателя ИП 212-49АМ).

Недостатком известной схемы является ее недостаточная помехозащищенность и зависимость коэффициента усиления от напряжения питания усилителя. Это требует экранирования усилителя и фотодиода, стабилизации питания усилителя, что удорожает конструкцию.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявленной схеме является схема усилителя фотодиода дымового пожарного извещателя, включающая дифференциальный усилитель с источником напряжения питания, снабженным формирователем потенциала, лежащего в интервале потенциалов источника напряжения питания, с которым соединен первый вход дифференциального усилителя, а также фотодиод, подключенный ко второму входу дифференциального усилителя и к одному из полюсов источника напряжения питания (см. www.irset.spb.ru. Паспорт пожарного дымового извещателя ИП 212-3СУ).

Недостатком известной схемы усилителя фотодиода является ее недостаточная помехозащищенность, что также требует экранирования усилителя и фотодиода.

Недостаточная помехозащищенность известной схемы усилителя фотодиода объясняется различными условиями протекания тока на входах усилителя при воздействии на фотодиод напряжения помехи. Результат воздействия помехи на каждый из двух выводов фотодиода различен несмотря на то, что это воздействие одинаково для обоих выводов фотодиода. Это связано с тем, что различны условия распространения помехи в подключенном к полюсу источника питания и втором выводах фотодиода, а более конкретно, различны сопротивления для протекания тока помехи от точки воздействия до полюса источника питания усилителя. При воздействии помехи наведенный на выводы фотодиода заряд стекает на полюса источника питания, и на пути этих токов оказываются элементы электрической схемы, которые образуют делители напряжения и формируют разность потенциалов на входах дифференциального усилителя, что создает дополнительный сигнал помехи, который суммируется с основным сигналом от фотодиода и препятствует его правильной передаче. В связи с тем, что в известной схеме пути токов и сопротивления элементов электрической схемы не идентичны, то, при одинаковой энергии воздействия помехи на оба вывода фотодиода, потенциал на входах усилителя оказывается не одинаковым: возникает разность потенциалов, вызванная помехой, что снижает помехозащищенность и ограничивает область применения усилителя.

В рамках данной заявки решается задача повышения помехоустойчивости схемы усилителя фотодиода при эксплуатации пожарного дымового извещателя при одновременном удешевлении его конструкции за счет отказа от экранирования.

Поставленная задача решается тем, что в схеме усилителя фотодиода, включающей дифференциальный усилитель с источником напряжения питания, снабженным формирователем потенциала, лежащего в интервале потенциалов источника напряжения питания, выводы фотодиода подключены к входам дифференциального усилителя, при этом первый вход дифференциального усилителя соединен с делителем напряжения через первый резистор, а второй вход дифференциального усилителя соединен с делителем напряжения через второй резистор, причем первый и второй резисторы имеют равные значения сопротивления.

Предпочтительно для работы в импульсном режиме выводы фотодиода подключать к входам усилителя через конденсаторы равной величины, а фотодиод шунтировать резистором с величиной сопротивления из диапазона 100 кОм-10 мОм. В этом случае постоянная составляющая сигнала не будет проходить на вход усилителя, а наведенный заряд будет стекать через шунтирующий резистор.

Сущность изобретения состоит в следующем.

В данной схеме усилителя фотодиода условия протекания тока, вызванного воздействием помехи, одинаковы для обоих выводов фотодиода и подключенных непосредственно к ним входов дифференциального усилителя, так как для каждого из них сопротивление между точкой воздействия помехи и любым полюсом источника питания одинаково благодаря наличию резисторов равной величины. В связи с этим происходит компенсация напряжения синфазного сигнала помехи, напряжение на входах усилителя не содержит сигнала помехи и не искажает полезный сигнал. Уровень сигнала помехи при этом снижается в тысячи раз, позволяя извещателю устойчиво работать даже в условиях сверхвысоких помех, в которых при использовании схемы по прототипу напряжение помехи намного превышало бы полезный сигнал.

Сущность изобретения поясняется неограничивающим примером его реализации и прилагаемыми чертежами, на которых:

фиг.1 - изображает схему усилителя фотодиода для случая измерения непрерывного сигнала;

фиг.2 - изображает схему усилителя фотодиода для случая измерения импульсного сигнала.

Для пояснения сущности изобретения на чертежах введены следующие обозначения:

1 - источник питания; 2 - дифференциальный усилитель; 3 -формирователь потенциала, лежащего в интервале потенциалов источника напряжения питания; 4 - фотодиод; 5 - первый резистор; 6 - второй резистор; 7 - конденсаторы; 8 - шунтирующий резистор.

Схема усилителя фотодиода для случая измерения непрерывного сигнала иллюстрируется на фиг.1. Усилитель фотодиода содержит подключенный к полюсам источника питания 1 дифференциальный усилитель 2 и формирователь потенциала 3, лежащего в интервале потенциалов источника напряжения питания. Формирователь потенциала 3 выполнен в виде резистивного делителя напряжения. Выводы фотодиода 4 включены между инвертирующим и неинвертирующим входами дифференциального усилителя 2, при этом инвертирующий вход усилителя соединен с формирователем потенциала 3 через первый резистор 5, а неинвертирующий вход усилителя соединен с формирователем потенциала 3 через второй резистор 6, причем первый и второй резисторы имеют равные значения сопротивления 100 кОм.

Предпочтительная величина сопротивления первого и второго резисторов составляет 100 Ом-10 мОм.

Схему усилителя фотодиода либо помещают в электромагнитное поле, создающее помеху, либо подают напряжение синфазной помехи от генератора на оба вывода фотодиода. Измеряют напряжение помехи на выходе дифференциального усилителя 2. В результате компенсации напряжение помехи, пересчитанное с учетом коэффициента усиления дифференциального усилителя 2, оказывается в тысячи раз меньше напряжения синфазной помехи, поданной от генератора. Для имитации условий распространения помехи в несбалансированном усилителе отключают резистор 5. В результате воздействия сигнала помехи дифференциальный усилитель 2 входит в насыщение. В аналогичных условиях схема согласно прототипу также входит в насыщение при подаче напряжения помехи.

Схема усилителя фотодиода для случая измерения импульсного сигнала иллюстрируется на фиг.2. Усилитель фотодиода содержит подключенные к полюсам источника питания 1 дифференциальный усилитель 2 и формирователь потенциала 3, лежащего в интервале потенциалов источника напряжения питания. Формирователь потенциала 3 выполнен в виде диодного формирователя потенциала. Выводы фотодиода 4 включены между инвертирующим и неинвертирующим входами дифференциального усилителя 2 через конденсаторы 7 равной величины (из диапазона от 100 пФ до 10 нФ), при этом инвертирующий вход дифференциального усилителя 2 соединен с формирователем потенциала 3 через первый резистор 5, а неинвертирующий вход усилителя соединен с формирователем потенциала 3 через второй резистор 6, причем первый и второй резисторы имеют равные значения сопротивления 510 кОм.

Схему усилителя фотодиода помещают в электромагнитное поле, создающее помеху, либо подают напряжение синфазной помехи от генератора на оба вывода фотодиода. Измеряют напряжение помехи на выходе дифференциального усилителя 2. В результате компенсации напряжение помехи, пересчитанное с учетом коэффициента усиления дифференциального усилителя 2, оказывается в тысячи раз меньше напряжения синфазной помехи, поданной от генератора. Для имитации условий распространения помехи в несбалансированном усилителе отключают резистор 5, в результате дифференциальный усилитель 2 входит в насыщение. В аналогичных условиях схема согласно прототипу также входит в насыщение при подаче напряжения помехи.

Преимущества данной схемы усилителя обеспечиваются тем, что в результате создания одинаковых условий распространения помехи в обоих выводах фотодиода и входах усилителя достигается компенсация напряжения и тока синфазной помехи. Это позволяет повысить помехозащищенность дымового пожарного извещателя, содержащего фотодиод, и снизить его стоимость за счет отказа от экранирования.

Изобретение может быть использовано также для работы в составе других фотоприборов, например фотометров, конструкция которых предусматривает наличие фотодиода, сигнал которого необходимо усиливать.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Схема усилителя фотодиода, включающая дифференциальный усилитель с источником напряжения питания, снабженным формирователем потенциала, лежащего в интервале потенциалов источника напряжения питания, при этом выводы фотодиода подключены к входам дифференциального усилителя, отличающаяся тем, что первый вход дифференциального усилителя соединен с формирователем потенциала через первый резистор, а второй вход дифференциального усилителя соединен с формирователем потенциала через второй резистор, причем первый и второй резисторы имеют равные значения сопротивления.

2. Схема по п.1, отличающаяся тем, что выводы фотодиода подключены к входам дифференциального усилителя через конденсаторы равной величины, а фотодиод шунтирован резистором с величиной сопротивления из диапазона 100 кОм-10 мОм.

Введение

Передаточная функция трансимпедансного операционного усилителя (ТИОУ) представляет собой зависимость выходного напряжения от входного тока и имеет размерность сопротивления. К ТИОУ относятся ОУ с токовой обратной связью. Когда к входу ОУ с обратной связью по напряжению подключен источник тока, например фотодиод (в обратную связь в этом случае включает резистор с большим сопротивлением), ОУ также можно считать ТИОУ. Для стабилизации схемы параллельно этому резистору ставится конденсатор достаточно большой емкости. В статье рассматривается расчет конденсатора для получения наибольшей полосы пропускания с сохранением устойчивости схемы.

Основные расчетные соотношения

На рисунке 1 показана полная схема ТИОУ, используемого для усиления тока фотодиода VD. В большинстве случаев для смещения Vсмещ используется шина питания +V.

Рис. 1.

Рис. 2. Эквивалентная схема фотодиода. C J — емкость обедненной области диода; I PH — ток диода

Эта схема удобна для нахождения передаточной характеристики ТИОУ. Примем, что усилитель идеален, поэтому на инвертирующем входе виртуальный ноль. Емкости С СМ и С J не влияют на передаточную функцию, поэтому мы их не учитываем. Таким образом, выражение для передаточной характеристики имеет следующий вид:

(1)

(2)

Таким образом, появляется полюс на частоте fp = 1/2pR F C F , который стабилизирует схему (этот эффект будет рассмотрен позже). Для нахождения коэффициента передачи ОС обозначим: С IN = C J + C CM . Таким образом получаем простую дифференцирующую схему с заземленной входной емкостью С IN . Коэффициент передачи сигнала ОС характеризует величину напряжения, которое передается с выхода ОУ на вход.

После некоторых упрощений получаем окончательное выражение для коэффициента обратной связи F:

(3)

Таким образом, коэффициент F для ТИОУ выражается так же, как и для дифференцирующей цепочки. Разница заключается только в добавлении емкости C IN , которая представляет собой сумму емкости фотодиода и входной емкости усилителя. Заметим, что для низких частот F = 1. Коэффициент усиления с ОУ обратной связью ОУ равен 1/F. Для устойчивости в схему добавляют стабилизирующий конденсатор C F . Однако включение дополнительной емкости уменьшает полосу пропускания, поэтому следует искать компромисс.

На рисунке 3 показаны частотные зависимости коэффициента усиления А без обратной связи и коэффициента усиления 1/F с ОС при оптимальном значении C F .

Рис. 3.

Полюс 1/F находится на графике А, другими словами, значение C F оптимально при A = 1/F или А F = 1. В отсутствие C F 1/F = 0, что вызывает сдвиг фаз почти на 180° в точке пересечения графиков А и 1/F.Появление полюса на частоте fp обеспечивает компенсацию с опережением или запаздыванием, при этом фазовый сдвиг в точке пересечения составляет 135°, таким образом, запас по фазе составит 45°. При недостаточной компенсации усилителя точка пересечения будет лежать выше второго полюса ТИОУ.

Из выражения для F найдем значение полюса 1/F:

Частота, до которой 1/F = 0, выражается следующим образом:

(5)

При частоте fz наклон графика 1/F меняется с 0 дБ на +20 дБ. Для стабильности работы усилителя наклон снова должен стать равным нулю. Это достигается как раз на втором полюсе, обусловленным конденсатором C F .

На рисунке 3 пунктиром изображен случай перекомпенсации, когда величина C F слишком большая. В этом случае полюс сдвигается на более низкую частоту. Более того, влияние слагаемого С IN в знаменателе выражения (5) уменьшается, поэтому частота fz также уменьшается. Перекомпенсацию следует применять тогда, когда усилитель недостаточно компенсирован и точка пересечения графиков А и 1/F находится рядом со вторым полюсом характеристики А.

Коэффициент усиления без ОС находится из простого соотношения:

, (6)

где f GBW — частота единичного усиления.

Учитывая, что A F = 1, опуская промежуточные преобразования и упрощая полученные выражения, в конечном итоге получаем выражение:

(7)

Это уравнение довольно сложно решить относительно C F . Для большинства случаев справедливо допущение C IN ; CF. Принимая его, получаем окончательное выражение для C F:

(8)

Это формула для нахождения оптимальной величины емкости C F . Если C F требуется слишком большая и вызывает звон в схеме, то следует использовать перекомпенсацию. Однако перекомпенсация уменьшит полосу пропускания ТИОУ

Практический пример

Рассмотрим схему (см. рис. 4) на операционном усилителе LMV793 фирмы National Semiconductor.

Рис. 4.

Это средний по быстродействию усилитель с недостаточной компенсацией, полосой пропускания 88 МГц и входной емкостью 15 пФ. В качестве датчика выбран фотодиод PIN-HR040 фирмы OSI Optoelectronics с полосой пропускания 300 МГц, чтобы он не ограничивал полосу пропускания усилителя. Емкость фотодиода 7 пФ. В качестве источника света используются лазерные диоды с короткими фронтами и срезами (5 нс). Сопротивление в цепи обратной связи R F = 100 кОм для получения большого коэффициент усиления.

Развязывающие конденсаторы источников питания не показаны, однако следует учитывать, что на каждой шине питания установлен танталовый конденсатор емкостью 6,8 мкФ для фильтрации низких частот и керамический конденсатор емкостью 0,1 мкФ для фильтрации высоких частот. Керамический конденсатор следует размещать как можно ближе к выводам питания операционного усилителя.

Емкость фотодиода C J = 7 пФ, входная емкость усилителя С CM = 15 пФ, значит, суммарная входная емкость составляет С IN 22 пФ. Используя выражение (8), получаем С F = 0,53 пФ. Это очень маленькое значение. В схему включен конденсатор с номинальной емкостью 0,5 пФ, однако его измеренное значение оказалось 0,64 пФ, таким образом, ТИОУ немного перекомпенсирован. Полосу пропускания можно найти исходя из постоянной времени R F C F или по временам фронта. В первом случае получаем 2,5 МГц, а во втором 3,2 МГц. Наличие выброса говорит о том, что запаса по фазе 45° не хватает. Выходная реакция усилителя показана на рисунке 5а и 5б.

Рис. 5. Выходной сигнал ТИОУ при R F = 100 кОм

Теперь рассмотрим ТИОУ с маленьким коэффициентом усиления. Для этого в схему на рисунке 4 включим R F = 10 кОм, при этом коэффициент усиления уменьшится в 10 раз, а полоса пропускания расширится. Однако излучение светодиода теперь должен быть в десять раз ярче для получения того же уровня выходного сигнала. Расчетное значение стабилизирующей емкости C F = 1,7 пФ, а номинальная емкость конденсатора в схеме равна 1,8 пФ. При данных параметрах полюс располагается на частоте 8,8 МГц, а коэффициент усиления с ОС 1/F = 10, это минимально допустимый коэффициент усиления для стабильной работы LMV793.

Таким образом, все условия стабильности работы двухполюсной схемы выполнены, однако при испытаниях в лаборатории выявляется довольно сильный звон схемы. Это могло быть вызвано наличием дополнительных полюсов и нулей, близко расположенных ко второму полюсу. Потребовалась перекомпенсация схемы. Примем C F = 2,7 пФ. На рисунке 6 показана выходная реакция ТИОУ при R F = 10 кОм C F = 2,7 пФ. Времена фронта и среза для данной схемы равны приблизительно 33 нс, отсюда полоса пропускания составляет 10,6 МГц. Полюс располагается на частоте 5,9 МГц. Выходной сигнал ТИОУ для этого случая показан на рисунке 6.

Рис. 6. Выходной сигнал ТИОУ при R F = 10 кОм

Заключение

Устойчивость ТИОУ рассчитывается так же, как и для дифференциального усилителя. Единственная разница между ними заключается в использовании фотодиода в качестве источника входного тока. Фотодиод не влияет на расчет стабильности, его емкость учитывается во входной емкости усилителя.

В лаборатории были протестированы две схемы с разными коэффициентами усиления. Результаты экспериментов сходятся с теоретическими. Выражение (8) для С F применимо для всех видов дифференциальных усилителей, более того, несмотря на различие передаточных характеристик ТИОУ и дифференциального усилителя, выражения для коэффициента передачи сигнала ОС в расчете стабильности обоих усилителей совпадают.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка —
e-mail:

LPC3200 — новое семейство 32-разрядных микроконтроллеров

NXP Semiconductors объявила о расширении линейки своей продукции на базе архитектур ARM7TM и ARM9TM, представив семейство микроконтроллеров LPC3200. Микроконтроллеры NXP семейства LPC3200 построены на основе популярного процессора ARM926EJTM и предназначены для использования в бытовых, промышленных, медицинских и автомобильных устройствах. В семейство LPC3200 входят LPC3220, LPC3230, LPC3240 и LPC3250.

Семейство разработано по 90-нм производственному процессу на основе высокопроизводительного ядра ARM926EJ, содержит векторный блок вычислений с плавающей запятой (Vector Floating Point, VFP), контроллер ЖК-монитора, Ethernet MAC, On-The-Go USB, эффективную матрицу шины и поддерживает широкий диапазон стандартных периферийных устройств.

Микроконтроллеры семейства LPC3000 разработаны для обеспечения гибкости в применениях, требующих быстрой и одновременной передачи данных и сочетают в себе высокую производительность, низкое энергопотребление и поддержку большого количества периферийных устройств. В этих устройствах реализованы интерфейсы I 2 C, I 2 S, SPI, SSP, UART, USB, OTG, SD, PWM, A/D для сенсорных экранов, имеется адаптер 10/100 Ethernet MAC и 24-разрядный контроллер ЖК-монитора с поддержкой панелей STN и TFT. Семейство поддерживает модули памяти DDR, SDR, SRAM, а также флэш-память. Возможна загрузка с устройств флэш-памяти NAND, памяти SPI, UART или SRAM.

Поставка опытных образцов микроконтроллеров NXP семейства LPC3200 начнется в апреле 2008 года, начало массовых поставок планируется на третий квартал 2008 года.

О компании National Semiconductor (от Texas Instruments)

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание
Введение

1. Принцип взаимодействия усилителя и фотодиода. Преобразование тока фотодиода в напряжение

2. Управление частотным шумом, возникающим при работе усилителя
3. Полоса пропускания усилителя и методы ее регулирования
4. Борьба с помехами, вызванными внешними воздействиями
Список используемой литературы

Введение
Оптические приборы на фотодиодах и фототранзисторах являются одним из перспективных направлений в области измерения параметров быстропротекающих физических и технологических процессов, лежат в основе датчиков уровня освещенности, приближения, дыма и цвета.
Рассмотрим свойства фотодиода и основные способы его включения. Как известно, фотодиод обладает односторонней проводимостью при воздействии на него оптического излучения. В фотодиодном режиме p-n-переход смещается обратным напряжением, величина которого зависит от конкретного фотодиода: от единиц до сотен вольт. Недостаток режима в том, что с ростом обратного тока (при увеличении освещения) увеличивается и уровень шумов, тогда как уровень полезного сигнала в целом остается постоянным.
В вентильном режиме к диоду не прикладывается напряжение от внешних источников, так как он сам становится источником ЭДС с достаточно большим внутренним сопротивлением. В этом режиме уровень шумов остается постоянным при повышении уровня засветки.
Приведенная схема включения фотодиода позволяет изменять положение подстроечного резистора для выбора режима работы диода. Схему можно перевести в вентильный режим, замкнув подвижный контакт резистора на землю. В прямом смещении фотодиод также будет реагировать на свет: для этого нужно сменить его полярность.
Постоянное высокоомное сопротивление предназначено для предотвращения случая теплового пробоя диода (из-за подачи слишком большого напряжения). Будучи включенным параллельно с нагрузкой (R н < 5 кОм), оно практически не ослабляет полезный сигнал. Конденсатор избавляет сигнал на выходе от постоянной составляющей, которую нет смысла усиливать при получении импульсного сигнала, так как она меняется в зависимости от фоновой засветки.
В качестве нагрузки в схеме с фотодиодом может использоваться каскад усиления с общей базой (рис. 1, а) либо быстродействующий операционный усилитель (рис. 1, б).
Рис. 1. Схемы включения фотодиода
О применении операционных усилителей, используемых для усиления сигнала фотодиода, и пойдет речь в данной курсовой работе.

Операционный усилитель - это усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, характеризирующийся коэффициентом усиления и высокоомным входным сопротивлением, а также отрицательной обратной связью, не позволяющей усилителю перейти в режим самовозбуждения.

Рис. 2. Принцип введения отрицательной обратной связи

Усиление сигнала фотодиода -- одна из основных областей применения операционных усилителей на полевых транзисторах с p-n-переходом на входах. Существует множество разнообразных схем усилителей, каждую из которых характеризуют:

1. Линейность;

2. Постоянное смещение;

3. Определенный уровень шумов;

4. Полоса пропускания.

Фотодиодные датчики -- это мост между измеряемой физической величиной (светом) и электроникой. При наблюдениях за различными физическими процессами свет играет второстепенную роль по сравнению с температурой и давлением, но не тогда, когда необходимы дистанционные измерения без контакта с исследуемым объектом Перевод статьи по операционным усилителям “Photodiode Monitoring with Op Amps” .

Такие датчики используются в компьютерных томографах, астронавигационном оборудовании, электронных микроскопах с системой обработки сигналов. Фотодиоды не слишком дороги и позволяют создавать массивы из сотен фотодатчиков. Основная задача схемы с фоточувствительным элементом - точное преобразование выходного сигнала фотодиода в линейно зависящий от него усиленный выходной сигнал, чему препятствует противоречие между быстродействием и качеством.

фотодиод напряжение усилитель частотный

1. Принцип взаимодействия усилителя и фотодиода . Преобразование тока фотодиода в напряжение

Существуют два способа получения сигнала от фотодиода: снятие с него напряжения или тока. Для измерения напряжения схема усиления должна иметь достаточное сопротивление по переменному току, чтобы ток, протекающий через ее вход, был минимальным.

Согласно схеме на рис. 3, а), фотодиод включен последовательно со входом усилителя. Цепь обратной связи состоит из резисторов R 1 и R 2 ; она позволяет напряжению на фотодиоде изменяться соизмеримо с напряжением на входе усилителя. В таком случае отношение выходного напряжения к входному будет логарифмическим, так как чувствительность фотодиода изменяется в зависимости от приложенного к нему прямого напряжения.

Рис. 3 . Выходным сигналом фотодиода может быть: а) напряжение; б) ток

Постоянная чувствительность при постоянном приложенном напряжении позволяет сделать вывод о том, что для получения линейной зависимости выходного сигнала от световой энергии разумно использовать измерение тока. Обратная связь операционного усилителя устанавливает нулевую разность напряжений между входами, поэтому падение напряжения на диоде также равно нулю. Это обстоятельство позволяет схеме преобразователя тока в напряжение, показанной на рис. 3, б), обеспечивать входное сопротивление, равное R 1 /K u , где K u -- это коэффициент усиления операционного усилителя с разомкнутой петлей обратной связи. Несмотря на то, что сопротивление R 1 обычно очень велико, результирующее входное сопротивление остается пренебрежимо малым по сравнению с выходным сопротивлением фотодиодов.

Ток диода в схеме преобразователя практически не течет через вход операционного усилителя, целиком направляясь к обратной связи R 1: потому что на выходе усилителя напряжение равняется произведению тока фотодиода на сопротивление R 1 . Для получения наибольшего коэффициента преобразования тока в напряжение это сопротивление должно иметь высокое номинальное значение. Недостатком является то, что оно провоцирует появление значительного температурного дрейфа напряжения (из-за температурной нестабильности входного тока усилителя). Чтобы компенсировать его, обычно к неинвертирующему входу усилителя подключают резистор R 2 с таким же сопротивлением, как у R 1 , и добавляют емкостную развязку для устранения большей части его помех. Недостатком такого способа является падение напряжения на диоде и возникающий в результате него ток утечки, который может оказаться даже больше, чем входные токи усилителя.

Сопротивление резистора обратной связи в преобразователе почти полностью определяет уровень шума и границы полосы пропускания усилителя, а также коэффициент усиления. Шум, вносимый резистором, имеет спектральную плотность и появляется на выходе преобразователя без усиления. Отношение увеличения выходного сигнала к увеличению шума пропорционально квадратному корню из сопротивления R 1 Проектирование и применение операционных усилителей: Дж. Грэм, Дж, Тоби и Л. Хыолсман. . Шум операционного усилителя также влияет на выходной шум, действуя через сопротивление обратной связи и емкость диода.

Источники шума в усилителе представлены на рис. 4 как входной шумовой ток I n и входное шумовое напряжение (на схеме - e n). Шумовой ток протекает через резистор обратной связи, усиливаясь так же, как и ток сигнала. Если выбрать операционный усилитель с входным током порядка пикоампер, то эта составляющая шума будет пренебрежимо мала для используемых значений сопротивления обратной связи.

Рис. 4 . Влияние емкости диода на работу цепи обратной связи в базовой схеме преобразователя Шум операционного усилителя усиливается больше и в более широкой полосе, чем сигнал.

На первый взгляд, входное шумовое напряжение усилителя передается на выход с небольшим усилением. Это справедливо для постоянного тока, когда усиление, равное 1+R 1 /R D , сохраняется на малом уровне благодаря большому сопротивлению диода R D . Емкость диода C D , изменяя работу цепи обратной связи на высоких частотах, усиливает шумовое напряжение. Так как эта емкость и сопротивление обратной связи обычно достаточно велики, эффект может проявляться на довольно низких частотах. Иллюстрация к этому приведена на рис. 4, б).

С помощью вносимого ею полюса усиление устанавливается на уровне 1+C D /C S . Для больших фотодиодов C D может составлять сотни пикофарад, провоцируя возникновение шумового усиления, соответственно, в сотни раз. Это усиление распространяется в область высоких частот и ограничивается полосой пропускания операционного усилителя.

При слишком высоком коэффициенте передачи операционный усилитель самовозбуждается из-за взаимодействия с обратной связью, что приводит к возникновению искажений: выбросам на переходной характеристике, увеличению постоянной времени. Чтобы избежать этого явления, обычно применяют емкостной фильтр, ограничивающий полосу частот.

По мере увеличения сопротивления обратной связи в преобразователе тока в общем шуме сначала доминирует вклад шумового напряжения операционного усилителя, затем вклад резистора обратной связи и, наконец, происходит максимальное усиление на высоких частотах. Такие варианты оптимизации схемы, как использование большого фотодиода, должны рассматриваться с учетом его емкости и ее влияния на выходной шум и общую чувствительность схемы. Большой размер фотодиода фактически может ухудшить общую точность, и добиваться улучшения светочувствительности следует, в первую очередь, оптическими способами, например, встраивая линзу в корпус фотодиода.

2. Управление частотным шумом, возникающим при работе усилителя

Рис. 5 . а) Т-образная конденсаторная схема; б) развязка одним элементом в Т-образной резистивной цепи обратной связи

Другая возможность добавления емкости существует при использовании Т-образной резисторной цепи в обратной схеме, которой обычно заменяют резисторы с очень большим сопротивлением. Последний заменен на рис. 5, б) элементами с более приемлемыми номиналами, но при этом увеличился низкочастотный шум. Эта конфигурация похожа на Т-образную конденсаторную цепь. Здесь R 2 и R 3 ослабляют сигнал на R 1 , поэтому последний со стороны входного узла представляется как резистор с гораздо бoльшим сопротивлением. Здесь не существует удобной возможности компенсации постоянного смещения из-за входных токов. Поэтому на неинвертирующем входе необходим резистор с очень большим сопротивлением.

Уменьшение высокочастотных шумов при шунтировании Т-образной схемы сопровождается их усилением на низких частотах из-за ослабления сигнала обратной связи в цепи. Бороться с этим можно при помощи резисторов с небольшим сопротивлением, так, чтобы этот эффект увеличивался только пропорционально квадратному корню из нового шумового усиления.

Добавление емкости в обратную связь -- это эффективный способ уменьшения шумового усиления, но оно так же эффективно уменьшает полосу пропускания сигнала. Эта полоса и так невелика из-за большого сопротивления обратной связи, и в результате может получиться полоса пропускания не больше 1 кГц. Более рационально решить проблему шумов можно, ограничив полосу усилителя именно в точке неизбежного ограничения полосы сигнала. Тогда высокочастотное усиление, которое усиливает только шумы, будет удалено.

Для управления полосой пропускания в составной схеме к усилителю А 2 добавляется внутренняя обратная связь. На постоянном токе эта обратная связь блокируется С 1 , и общее усиление с разомкнутой обратной связью будет равно произведению этих усилений для каждого усилителя, или, в данном случае, 225 дБ. Спад частотной характеристики этого усиления происходит под действием полюса в усилении усилителя А 1 с разомкнутой связью и отклика интегратора, задаваемого для усилителя А 1 элементами С 1 и R 3 . Так как этот спад вызван действием двух полюсов, он должен быть ограничен перед пересечением кривой шумового усиления, чтобы обеспечить устойчивость. Ноль добавляется включением R 4 . Выше частоты этого нуля вследствие влияния R 4 прекращается интегрирование, и передаточная функция А 2 становится равной коэффициенту усиления инвертирующего усилителя -- R 4 /R 3 . В результате спад усиления становится больше, чем у одиночного усилителя на высоких частотах. В графическом отображении полоса шумового усиления на рис. 6б заметно сузилась, как если бы сократилась полоса пропускания операционного усилителя.

Рис. 6 . а) Уменьшение шумов в схеме составного усилителя; б) сокращение полосы шумов без уменьшения полосы сигнала

Сокращение полосы шумов показано на рис. 6, б) затененной областью. Визуально оно не выглядит существенным из-за логарифмического масштаба. В действительности уменьшение шумов получается весьма значительное, потому что на верхнем частотном участке логарифмического графика представлена бoльшая часть полосы пропускания усилителя. Перемещение точки единичного усиления шумов с 2 МГц до 200 кГц снижает выходной шум А 1 примерно в три раза. Чтобы получить тот же результат при помощи шунтирования обратной связи, придется уменьшить полосу пропускания сигнала в 10 раз. При подходе, показанном на рис. 6, а), эта полоса не изменяется. Усилитель А 2 не добавляет ни шумов, ни постоянного смещения, так как он включен после усилителя с большим усилением А 2 .

Показанная на рис. 6 технология обычно используется при низких уровнях сигнала, когда система особенно чувствительна к шумам. При большом значении сигнала становится важным ограничение скорости нарастания сигнала, но при использовании второго усилителя также можно добиться значительного улучшения ситуации. Ограничение скорости нарастания вызвано ограничением максимального выходного напряжения А 1 и его ослаблением в А 2 . Если максимальный размах напряжения на выходе А1 составляет 12 В и усиление А 2 равно -- 1/10, как показано на рис. 6, то итоговое выходное напряжение ограничено размахом 1,2 В. Для малых сигналов это будет приемлемо, так максимальные практически используемые значения сопротивления обратной связи сами по себе ограничивают выходной размах.

Высокоуровневые сигналы не столь чувствительны к шуму и лучше переносят более прямой подход к фильтрации. Активный фильтр после обычного преобразователя тока в напряжение также устраняет высокочастотный шум. Установка полюса фильтра на границе полосы сигнала приводит к тому, что полоса пропускания системы практически не простирается дальше полосы полезной информации. Такой фильтр не включается в контур обратной связи преобразователя, поэтому входной шум и смещение второго усилителя добавляются к сигналу.

3. Полоса пропускания усилителя и методы ее регулирования

Требования к полосе пропускания являются неотъемлемой частью обсуждения преобразователя тока в напряжение по нескольким причинам. Общий выходной шум увеличивается пропорционально квадратному корню из полосы пропускания системы, потому что охватывается более широкий спектр шумов. Появляется конфликт между оптимальным соотношением сигнал/шум и полосой сигнала.

Последнее ограничение, влияющее на измерение таких величин, -- емкостная связь через воздух вокруг корпуса резистора -- всегда остается. Расширение полосы за пределы, обусловленные такими ограничениями, требует уменьшения сопротивления обратной связи и, следовательно, меньшего усиления преобразователя. Некоторые возможности для восстановления усиления показаны на рис. 7, а). После преобразователя тока в напряжение просто добавляется второй усилитель, который доводит итоговое выходное сопротивление до величины R T = A V R 1 . Таким образом, большое сопротивление уменьшается во столько раз, во сколько раз усиливает усилитель, и во столько же раз увеличивается полоса пропускания.

Рис. 7 . а) Добавление усиления напряжения для увеличения полосы при сохранении общего сопротивления; б) графики зависимости полосы пропускания и входного шума (полоса пропускания увеличивается быстрее, чем шум)

Параметры, влияющие на этот максимум, -- это итоговое R T и полоса единичного усиления второго усилителя, f C . Взаимосвязь факторов, влияющих на выбор оптимальной полосы пропускания, описывается выражением для расчета R 1:

При использовании второго усилителя (А 1) полоса расширяется до 100 кГц от исходных 3 кГц. У него наибольший общий выходной шум, но это происходит, опять-таки, из-за большой полосы пропускания. Если требуется еще бoльшая полоса пропускания, то надо выбирать между более быстрым операционным усилителем, с худшими, как правило, шумовыми параметрами, и уменьшением сопротивления. Для меньшей полосы пропускания на место А 1 требуется поставить усилитель с меньшей полосой единичного усиления, поэтому можно использовать усилитель с малым шумом.

При условии, что допускается ухудшение шума при замене сопротивления на усиление напряжения, достоинства схемы в целом увеличиваются. Если же учитывать полосу пропускания, то это улучшение может компенсировать падение соотношения сигнал/ шум. Ранее упоминалось, что простой преобразователь тока в напряжение больше страдает от излишней полосы пропускания при усилении напряжения шума усилителя, чем при усилении токового сигнала. Эта тенденция устранена в схеме на рис. 7, так как усиление напряжения возрастает, и А 2 начинает фильтровать более высокие частоты. В подтверждение этому шумовые кривые, которые нарастают плавно (в отличие от кривых полосы пропускания) до точки оптимальной полосы пропускания. В этой оптимальной точке полоса пропускания шума совпадает с полосой пропускания сигнала. В результате А теперь работает как выходной активный фильтр, обсуждавшийся ранее.

В некоторых случаях серьезным недостатком приведенной схемы является необходимость использования двух операционных усилителей на каждый фотодатчик: часто сотни датчиков работают в одном массиве. Можно применять и один ОУ для получения того же усиления, но без резисторов с очень большим сопротивлением, если окажется приемлемым некоторое ухудшение полосы пропускания и шумов. Один и тот же ОУ может одновременно выполнять преобразование тока в напряжение и последующее усиление напряжения. Согласно традиционной технике, эта задача решается так, как показано на рис. 8, a), где R 2 необходим для преобразования тока в напряжение, а R 3 и R 4 -- для установки усиления по напряжению. Ток из диода D 1 течет через резистор R 2 , в результате чего на неинвертирующем входе операционного усилителя появляется напряжение сигнала. Однако это напряжение также приложено к фотодиоду, и из-за этого возникает нелинейность, как было описано ранее.

Рис. 8 . Одновременное преобразование тока в напряжение и усиление по напряжению на одном операционном усилителе: a) влияние нежелательного напряжения на диоде; б) устранение влияния при помощи подключения диода между входами операционного усилителя

Вместо этого фотодиод подключается непосредственно между входами операционного усилителя, и тогда на нем поддерживается нулевое напряжение. Как показано на рис. 8, б), резисторы выполняют те же функции, что и в предыдущей схеме, но передаточная функция схемы будет линейной. Ток из фотодиода также течет через R 2 , создавая такое же сигнальное напряжение. Этот ток течет и в цепь обратной связи, но дает меньший эффект из-за меньшего сопротивления резисторов.

Итоговый выходной шум от резистора в базовой схеме увеличивается пропорционально квадратному корню из усиления напряжения. Здесь добавляется небольшая составляющая, возникающая из-за того, что удален операционный усилитель как источник повышения усиления. Однако новый источник включен на рис. 8, б), снова из-за емкости диода, как показано на рис. 9, а). Напряжение шума усилителя действует непосредственно через емкость, порождая шумовой ток, который течет через R 2 . Цепь емкостной обратной связи, состоящая из C D и C ICM , создает шумовое усиление, максимум которого равен 1 + C D / C ICM и которое существует дополнительно к нормальному шумовому усилению неинвертирующего усилителя.

Рис. 9 . а) Схема с емкостью фотодиода, добавляющего обратную связь к схеме на рис. 7б; б) график усиления

Влияние на частотную характеристику изображено на рис. 9б, и оно также вызывает подъем шумового усиления на высоких частотах. Это происходит на более высоких частотах, чем в базовой схеме преобразователя тока в напряжение, потому что применяется меньшее сопротивление, и этот подъем быстрее прекращается из-за спада частотной характеристики операционного усилителя. Для диода с малой емкостью, использованного в обоих примерах схем, он теперь охватывает небольшую область на графике, что, соответственно, уменьшает влияние шума. Для больших диодов, тем не менее, этот эффект тоже присутствует, как показано штриховой линией для емкости около 200 пФ. Часть спектра, охватываемая подъемом, не находится на верхнем краю полосы пропускания усилителя, как это было в базовой схеме. Следовательно, шум операционного усилителя не стал основным источником.

4. Борьба с помехами, вызванными внешними воздействиями

Так как уменьшение шумов, возникающих в схеме, имеет пределы, необходимо рассмотреть и внешние источники шумов. Преобразователь тока в напряжение крайне чувствителен к помехам от электростатических, магнитных и радиочастотных источников. Эти источники требуют внимания при экранировании, заземлении и физическом расположении компонентов Моррисон, Р. Методы заземления и экранирования (2-ое издание, Нью-Йорк, 1986). , иначе их вклад в шум устройства будет основным..

Так как электростатическая связь наиболее часто возникает на частоте питающей сети и тогда одинакова для всех точек схемы, она является естественным «кандидатом» на устранение при помощи подавления синфазного сигнала в операционном усилителе. На этой частоте коэффициент ослабления синфазного сигнала очень велик, но в обычной схеме преобразователя тока в напряжение он не используется. Это следствие несимметричной конфигурации входа вместо дифференциальной, но последнюю вполне можно применять для улучшения подавления шумов, а также уменьшения ошибки по постоянному току.

Усилитель с дифференциальным входом на операционном усилителе очень хорошо подходит для сигнала фотодиода. Так как фотодиод генерирует токовый сигнал, он доступен на обоих выводах этого датчика и может подключаться к обоим входам усилителя, как показано на рис. 10а. Здесь ток диода больше не возвращается по «земле», а подается на неинвертирующий вход усилителя. Тем самым создается второе напряжение сигнала, которое удваивает усиление схемы, когда R 1 = R 2 для компенсации. Для данного значения усиления сопротивления резисторов должны составлять только половину от нормального для аналогичного уменьшения ошибки от входных токов усилителя. Здесь также отсутствует постоянное напряжение на фотодиоде, так как он включен между входами операционного усилителя. А так как напряжение между входами практически равно нулю, то отсутствует и ток утечки фотодиода.

Рис. 10 . Использование коэффициента ослабления синфазного сигнала операционного усилителя: а) подача сигнала на дифференциальный вход; б) ослабление электростатической связи

Для большинства случаев электростатической связи с силовыми проводами на частоте питающей сети описанное емкостное шунтирование дает лишь незначительный эффект. Для лучшего подавления высоких частот надо или добавить конденсатор параллельно R 1 , или же обеспечить постоянный сигнал на входной емкости. Последний вариант освобождает от ограничения полосы пропускания - так же, как и при использовании второго дифференциального подключения. Как показано на рис. 11, фотодиод подключается между входами двух преобразователей тока в напряжение, выходы которых соединены со входами дифференциального усилителя. Ток фотодиода течет через два одинаковых сопротивления, на которые действует одинаковая электростатическая шумовая связь. Ток диода создает дифференциальный сигнал на сопротивлениях, а шумовая связь генерирует синфазный сигнал. При прохождении через блок с усилителем А 3 (выделенного желтой областью) эти сигналы разделяются: сигнал диода проходит на выход, а шумовой сигнал подавляется.

Рис. 1 1 . Усилитель с дифференциальными входами, имеющий широкую полосу усиления (входные синфазные емкости усилителей соединены с виртуальной «землей»)

Неинвертирующие входы обоих преобразователей тока в напряжение заземлены, поэтому на обоих выводах диода устанавливается нулевое напряжение. Кроме того, в такой схеме исключается появление сигнала на синфазных входных емкостях, поэтому увеличивается полоса усиления сигнала и подавления электростатических помех. Неинвертирующие входы не подключаются через высокое сопротивление для коррекции ошибок от входного тока, так как А 1 и А 2 формируют согласованные напряжения на своих выходах. Эти напряжения являются синфазным входным сигналом для конечного блока, и поэтому они подавляются.

Другая функция, которую может выполнять дифференциальная схема на рис. 11, -- это дифференциальное измерение сигналов от двух фотодиодов. Вместо D 1 к входу каждого преобразователя тока в напряжение подключается по отдельному диоду. Эти диоды показаны на рис. 11 штриховыми линиями. Их токи порождают независимые напряжения на выходах A 1 и А 2 , после чего они проходят через дифференциальный усилитель для устранения синфазной составляющей. Оставшееся выходное напряжение пропорционально разности между двумя входными фототоками как мера относительной освещенности. Такой сигнал используется в датчиках положения или слежения за оптической дорожкой в качестве сигнала обратной связи.

Может оказаться, что магнитную шумовую связь труднее устранить, чем электростатическую, но ее влияние также уменьшается при использовании дифференциальных входов. В этом случае возникает связь через взаимную индуктивность, поэтому основной задачей является минимизация размеров петель проводников вместе с экранированием и максимальным разделением источника и приемника помех. Ее влияние не устраняется электростатическим экраном, поэтому первым шагом должно быть подавление помех непосредственно на их источнике. Силовые трансформаторы, которые невозможно удалить на достаточное расстояние, должны иметь экранирование, чтобы бoльшая часть их магнитных полей оставалась внутри трансформатора. Оставшиеся магнитные связи воздействуют через физическую и схемотехническую конфигурации. Резисторы с большим сопротивлением, используемые в трансимпедансных усилителях, чувствительны к этому воздействию, и соединения между этими резисторами и высокоимпедансными входами операционных усилителей должны быть как можно короче. Оставшиеся помехи делаются синфазными за счет согласования формы и размеров проводников, чтобы операционный усилитель мог их подавить. На рис. 10, 11 большое сопротивление разделено между двумя одинаковыми элементами, которые физически монтируются с одинаковой ориентацией и на одинаковом расстоянии относительно источника магнитных помех. Помехи, наведенные на два резистора, в этом случае создают одинаковые сигналы, которые подавляются на выходе усилителя.

Третья разновидность помех -- радиочастотные -- хуже ослабляются усилителями, поэтому основными способами борьбы с ними являются экранирование и фильтрация. Источники радиочастотных помех могут оказаться поблизости от схемы с фотодиодом (например, цифровые схемы, которые наиболее часто присутствуют в системе). На высоких частотах операционные усилители имеют небольшое усиление и слабое подавление синфазных сигналов, и поэтому они не могут подавлять радиочастотные сигналы. Из-за этих ограничений операционных усилителей и ограничения полосы в основной схеме преобразователя тока в напряжение исследуемые сигналы не могут находиться в радиочастотном диапазоне. Для удаления нежелательных сигналов можно использовать фильтрацию, если ее удастся применить на входе усилителя. Фильтрация после усилителя менее эффективна, так как операционный усилитель может работать подобно радиочастотному детектору, отделяющему более низкие частоты от несущей. Дальнейшее уменьшение этих видов шумов можно получить при помощи радиочастотных экранов и «земляных» слоев на печатной плате.

Список используемой литературы

1. Перевод статьи по операционным усилителям “Photodiode Monitoring with Op Amps”, автор -- ведущий специалист фирмы Burr-Brown (Texas Instruments): http://www.kit-e.ru/articles/usil/2009_02_46.php

2. Дж. Грэм, Дж. Тоби и Л. Хьюлсман. Проектирование и применение операционных усилителей: http://www.znvo.kz/books/42-pnpnpn/549-grema.html

3. Хоровиц П., Хилл У. - Искусство схемотехники. Том 1, 3-е издание:

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

4. Преснухин Л., Воробьев Н., Шишкевич А. - Расчет элементов цифровых устройств: http://www.toroid.ru/presnuhinLN.html

Подобные документы

Исследование работы интегрального усилителя в различных режимах. Подключение усилителя как повторителя. Измерение входящего и выходящего напряжения. Определение частоты пропускания усилителя. Анализ способов получения большого усиления на высокой частоте.

лабораторная работа , добавлен 18.06.2015

Разработка электрической схемы резистивного усилителя. Построение гиперболы рассеивания при статическом режиме. Формула расчета уравнения нагрузочной прямой. Определение параметров тока, полосы пропускания и полосы усиления при динамическом режиме.

контрольная работа , добавлен 14.05.2014

Расчет параметров усилителя, на вход которого подается напряжение сигнала с заданной амплитудой от источника с известным внутренним сопротивлением. Определение КПД усилителя с общей параллельной отрицательной обратной связью по току и полного тока.

задача , добавлен 04.01.2011

Анализ схемотехнической реализации усилителя. Формирование математической модели параметрического синтеза усилителя. Характеристики коэффициента передачи напряжения. Исследование влияния на частотные характеристики варьируемых параметров усилителя.

курсовая работа , добавлен 16.09.2017

Изучение работы усилителей постоянного тока на транзисторах и интегральных микросхемах. Определение коэффициента усиления по напряжению. Амплитудная характеристика усилителя. Зависимость выходного напряжения от напряжения питания сети для усилителя тока.

лабораторная работа , добавлен 31.08.2013

Разработка усилителя электрических сигналов, состоящего из каскадов предварительного усилителя. Расчет двухтактного бестрансформаторного усилителя мощности. Определение каскада с ОЭ графоаналитическим методом. Балансные (дифференциальные) усилители.

курсовая работа , добавлен 09.03.2013

Определение параметров работы двухкаскадного усилителя тока с непосредственной связью, выполненного на германиевых (Ge) транзисторах структуры n-p-n по заданным показателям. Основные расчеты показателей преобразования напряжения, коэффициентов усиления.

практическая работа , добавлен 04.01.2011

Разработка усилителя тока с помощью средств систем автоматизированного проектирования. Моделирование усилителя тока в Multisim. Расчет размеров, размещение радиоэлектронных компонентов на печатной плате, ее трассировка с помощью волнового алгоритма.

курсовая работа , добавлен 21.10.2015

Назначение и описание выводов инвертирующего усилителя постоянного тока К140УД8. Рассмотрение справочных параметров и основной схемы включения операционного усилителя. Расчет погрешностей дрейфа напряжения смещения от температуры и входного тока.

реферат , добавлен 28.05.2012

Характеристика усилителя как основного узла в устройствах автоматики, телемеханики, вычислительной и информационно-измерительной техники. Принцип работы многокаскадного усилителя с расчетом каждого каскада и построением выходных и входных характеристик.

Перевод: Иоффе Дмитрий

Представлен перевод статьи по операционным усилителям “Photodiode Monitoring with Op Amps”, автор которой - ведущий специалист фирмы Burr-Brown (Texas Instruments).

Все статьи цикла:

Усилители для фотодиодов на операционных усилителях. Часть 1
Усилители для фотодиодов на операционных усилителях. Часть 2

Одна из основных областей применения операционных усилителей с полевыми транзисторами с p-n -переходом на входах (FET input) это усиление сигналов фотодатчиков, главным образом фотодиодов. Существует множество предназначенных для этого разнообразных схем усилителей. Выбрать нужную схему можно в соответствии с требуемыми параметрами: линейностью, постоянным смещением, шумами и полосой пропускания. Эти же факторы влияют и на выбор конкретной модели операционного усилителя из множества новых устройств с малыми входными токами, малым шумом и высоким быстродействием.

Фотодатчики это мост между измеряемой физической величиной светом и электроникой. При наблюдениях за различными физическими процессами свет играет второстепенную роль по сравнению с температурой и давлением до тех пор, пока не понадобятся дистанционные измерения без непосредственного контакта с исследуемым объектом. Тогда требуется связь между световыми сигналами в компьютерном томографе, астронавигационном оборудовании или электронном микроскопе и системой обработки сигналов. Фотодиоды это недорогая основа для такой связи. Они позволяют создавать массивы из более чем 1000 фотодатчиков. Основная задача точное преобразование выходного сигнала фотодиода в линейно зависящий от него сигнал. И, как всегда, возникает противоречие между скоростью и разрешением, а шум представляет собой основной ограничивающий фактор. В центре этого противоречия находится кажущийся простым преобразователь тока в напряжение. Но он имеет ограничения по многим факторам, и, как следствие, появляются альтернативные конфигурации с оптимизацией различных параметров.

Преобразование тока в напряжение

Существуют два способа получения сигнала от фотодиода: измерение напряжения и измерение тока. Для измерения напряжения схема должна иметь высокий импеданс, чтобы ток, протекающий через ее вход, был минимальным. Это условие обеспечено в схеме, показанной на рис. 1а. Здесь фотодиод включен последовательно с входом операционного усилителя, через который в идеале ток не течет. Цепь обратной связи, состоящая из резисторов R 1 иR 2 , задает усиление напряжения на фотодиоде так же, как если бы оно было приложено к входу усилителя. Очевидно, что измерение напряжения будет нелинейным. Отношение выходного напряжения к входной световой энергии будет логарифмическим, так как чувствительность фотодиода изменяется в зависимости от приложенного к нему прямого напряжения.

Рис. 1. Выходным сигналом фотодиода может быть: а) напряжение; б) ток

Постоянная чувствительность при постоянном приложенном напряжении позволяет сделать вывод о том, что для получения линейной зависимости выходного сигнала от световой энергии надо использовать измерение тока. Измеритель этого тока должен иметь нулевой входной импеданс, чтобы падение напряжения на диоде также было нулевым. Нулевой импеданс обеспечивает операционный усилитель, так как благодаря большому усилению его обратная связь устанавливает нулевую разность напряжений между входами. Это является ключевым моментом базовой схемы преобразователя тока в напряжение, показанной на рис. 1б. Она обеспечивает входное сопротивление, равное R 1 /A, где A это коэффициент усиления операционного усилителя с разомкнутой петлей обратной связи. Несмотря на то, что сопротивление R 1 обычно очень велико, результирующее входное сопротивление остается пренебрежимо малым по сравнению с выходным сопротивлением фотодиодов.

Ток диода практически не течет через вход операционного усилителя, целиком направляясь в резистор обратной связи R 1 . Для получения этого эффекта операционный усилитель устанавливает на своем выходе напряжение, равное произведению тока фотодиода на сопротивление R 1 . Для получения как можно большего коэффициента преобразования тока в напряжение сопротивление R 1 делают настолько большим, насколько позволяют существующие ограничения. При большом значении сопротивления этот резистор начинает давать значительный температурный дрейф напряжения из-за температурного коэффициента входног о тока усилителя. Чтобы компенсировать эту ошибку, обычно к неинвертирующему входу усилителя подключают резистор R 2 с таким же сопротивлением, как у R 1 , как показано на рис. 1, и добавляют емкостную развязку для устранения большей части его шума. Оставшаяся ошибка по постоянному току определяется разностью входных токов усилителя и разбросом сопротивлений двух резисторов. Недостатком такого способа коррекции ошибки является падение напряжения, которое создается на диоде, и возникающий в результате него ток утечки диода. Эта утечка может свести на нет коррекцию, полученную от R 2 , так как для получения высокой чувствительности фотодиоды обычно имеют большой размер области p-n -перехода. Ток утечки пропорционален этому размеру и может оказаться даже больше, чем входные токи операционного усилителя.

Сопротивление резистора обратной связи в преобразователе тока в напряжение почти полностью определяет шум и полосу пропускания, а также усиление. Шум, вносимый непосредственно резистором, имеет спектральную плотность и появляется прямо на выходе преобразователя тока в напряжение без усиления. При росте величины сопротивления не только увеличивается выходной шум пропорционально квадратному корню, но и прямо пропорционально увеличивается выходной сигнал. Таким образом, соотношение сигнал/шум увеличивается пропорционально квадратному корню из сопротивления.

Шум операционного усилителя также влияет на выходной шум, неожиданным образом действуя через большое сопротивление обратной связи и емкость диода. Источники шума в усилителе представлены на рис. 2 как входной шумовой ток I n и входное шумовое напряжение e n . Этот шумовой ток протекает через резистор обратной связи, усиливаясь так же, как и ток сигнала. Он представляет собой входной ток смещения I B и имеет спектральную плотность . Если выбрать операционный усилитель с входным током порядка пикоампер, то эта составляющая шума будет пренебрежимо мала для практически используемых значений сопротивления обратной связи.

Рис. 2. Влияние емкости диода на работу цепи обратной связи в базовой схеме преобразователя тока в напряжение
(шум операционного усилителя усиливается больше и в более широкой полосе, чем сигнал)

Относительное влияние основных источников шума в преобразователе тока в напряжение можно видеть на рис. 3. По мере увеличения сопротивления обратной связи в этом преобразователе в общем шуме сначала доминирует вклад шумового напряжения операционного усилителя, затем вклад резистора обратной связи и, наконец, происходит максимальное усиление на высоких частотах. На рис. 3 показан выходной шум для базовой схемы преобразователя тока в напряжение (рис. 1б), включая влияние шумового усиления, представленное на рис. 2б. Показан общий выходной шум для трех случаев как функция сопротивления обратной связи, и в каждом из них приведена среднеквадратическая сумма составляющих от сопротивления обратной связи и от операционного усилителя. Представлены три операционных усилителя с полевыми транзисторами с p-n переходом на входах. Эти усилители имеют разные параметры, которые перекрывают различные спектры применений фотодиодов при малых шумах и входных токах и широкой полосе пропускания. Все три типа имеют малые шумы и малые входные токи. OPA111 имеет наименьшие шумы среди усилителей такого класса, 6 нВ/√Гц, а OPA128 обладает наименьшим входным током, который равен 0,075 пА. OPA404 обеспечивает полосу пропускания 6,4 МГц при остальных параметрах, соответствующих этому классу. Шум операционного усилителя находится путем интегрирования спектральной плотности шума усилителя с учетом частотной характеристики шумового усиления . Также штриховой линией показан шум резистора для OPA111 и OPA2111. Эта кривая шума резистора отличается для других типов усилителей, так как каждый операционный усилитель имеет свой спад полосы пропускания для шума резистора.

Рис. 3. Влияние основных источников шума в преобразователе тока в напряжение

Сравнение кривых показывает, что OPA111/ OPA2111 дают меньше шума в двух диапазонах. В то же время OPA128 дает меньше шума в среднем диапазоне. Это происходит благодаря меньшей полосе пропускания усилителя. А описанная далее техника сокращения полосы пропускания устраняет разницу с OPA111. Преимущество OPA128 это очень небольшая ошибка на постоянном токе вследствие его входного тока 0,075 пА, что составляет 1/20 от входного тока его малошумящего конкурента. Третий операционный усилитель, OPA404, дает наибольший общий выходной шум, но это в значительной степени является следствием широкой полосы пропускания. Из-за полосы 6,4 МГц усиливаются шумы в большем диапазоне частот. В то время как кривая шума этого усилителя выше, чем у OPA128, OPA404, как ни странно, имеет меньшую спектральную плотность шума, но его полоса пропускания в шесть раз больше. Эта полоса 6,4 МГц может использоваться для усиления сигналов при сопротивлении обратной связи до 50 кОм, и усилитель будет иметь наилучшую полосу для сопротивлений до 150 кОм. OPA404 это счетверенный усилитель. Из соображений экономии его целесообразно использовать и при больших сопротивлениях, в сочетании с сокращением полосы пропускания для снижения выходного шума.

Только пятимерный график может отобразить одновременно выходной шум, сопротивление, ошибку по постоянному току, размер фотодиода и полосу пропускания, то есть те параметры, которые потребуются для расчета преобразователя тока в напряжение. Требования каждого специфического применения рассматриваются отдельно с учетом этих факторов. Чтобы избежать оптимизации конкретного проекта только для одного фактора, например, усиления, на каждом этапе разработки необходимо учитывать различные эффекты от увеличения сопротивления обратной связи. Такие варианты, как использование большого фотодиода, должны рассматриваться с учетом его емкости и ее влияния на выходной шум и общую чувствительность схемы.

Управление шумом

Рис. 4. а) Т-образная конденсаторная схема; б) развязка одним элементом в Т-образной резистивной цепи обратной связи

Другая возможность добавления емкости существует при использовании Т-образной резисторной цепи в обратной схеме, которой обычно заменяют резисторы с очень большим сопротивлением. Последний заменен на рис. 4б элементами с более приемлемыми номиналами, но при этом увеличился низкочастотный шум. Эта конфигурация похожа на Т-образную конденсаторную цепь. Здесь R 2 и R 3 ослабляют сигнал на R 1 , поэтому последний со стороны входного узла представляется как резистор с гораздо бóльшим сопротивлением. Здесь не существует удобной возможности компенсации постоянного смещения из-за входных токов. Поэтому на неинвертирующем входе необходим резистор с очень большим сопротивлением.

Одним из положительных свойств ослабляющей цепи обратной связи является возможность использовать конденсаторы приемлемых номиналов. Установка конденсатора параллельно R 2 устраняет ослабление на высоких частотах, сводя сопротивление цепи обратной связи к R 1 . Эта операция отличается от настоящего шунтирования резистора обратной связи конденсатором, так как здесь импеданс обратной связи выравнивается на некотором уровне, а не спадает с увеличением частоты, но значительное уменьшение эквивалентного сопротивления можно использовать при необходимости. Другое преимущество Т-образной резисторной схемы более точная компенсация ошибки по постоянному току.

Уменьшение высокочастотных шумов при шунтировании Т-образной схемы сопровождается их увеличением на низких частотах. Ниже частоты, на которой начинает работать шунтирование, шумовое усиление увеличивается из-за ослабления сигнала обратной связи в Т-образной цепи. Поэтому усиливаются шумы и напряжение смещения операционного усилителя, так же, как и шум резистора R 1 , с коэффициентом 1+R 2 /R 3 . Бороться с этим можно при помощи резисторов с небольшим сопротивлением, так, чтобы этот эффект увеличивался только пропорционально квадратному корню из нового шумового усиления. Наиболее важно, однако, удалить усиление на высоких частотах с помощью шунтирующего конденсатора, поскольку это устраняет бóльшую часть шумов из полученной шумовой полосы. При отсутствии других способов устранения высоких частот, зашунтированный резистор в Т-образной цепи обеспечивает наименьший общий выходной шум для широкого диапазона сопротивлений обратной связи.

Добавление емкости в обратную связь это эффективный способ уменьшения шумового усиления, но оно так же эффективно уменьшает полосу пропускания сигнала. Эта полоса и так невелика из-за большого сопротивления обратной связи, и в результате может получиться полоса пропускания не больше одного килогерца. Желательно решить проблему шумов, ограничив полосу усилителя именно в точке неизбежного ограничения полосы сигнала. Тогда высокочастотное усиление, которое усиливает только шумы, будет удалено. Операционные усилители с возможностью внешней компенсации фазы позволяют сделать это, но среди них не встречаются усилители с достаточно малыми входными токами и напряжениями шумов, пригодные для работы с фотодиодами.

Чтобы получить нужное ограничение полосы с подходящими операционными усилителями, в составном усилителе используются два операционных усилителя, один из которых снабжен цепью управления фазовой компенсацией, как показано на рис. 5а. Обратите внимание на перестановку инвертирующего и неинвертирующего входов усилителя А 1 . Это необходимо для сохранения одиночной инверсии фазы в двух последовательно включенных усилителях. Для управления полосой пропускания в составной схеме к усилителю А 2 добавляется внутренняя обратная связь. На постоянном токе эта обратная связь блокируется С 1 , и общее усиление с разомкнутой обратной связью будет равно произведению этих усилений для каждого усилителя, или, в данном случае, 225 дБ. Спад частотной характеристики этого усиления происходит под действием полюса в усилении усилителя А 1 с разомкнутой связью и отклика интегратора, задаваемого для усилителя А 1 элементами С 1 и R 3 . Так как этот спад вызван действием двух полюсов, он должен быть ограничен перед пересечением кривой шумового усиления, чтобы обеспечить устойчивость. Ноль добавляется включением R 4 . Выше частоты этого нуля вследствие влияния R 4 прекращается интегрирование, и передаточная функция А 2 становится равной коэффициенту усиления инвертирующего усилителя R 4 /R 3 . В результате спад усиления становится больше, чем у одиночного усилителя на высоких частотах. В графическом отображении полоса шумового усиления на рис. 5б заметно сузилась, как если бы сократилась полоса пропускания операционного усилителя.

Рис. 5. а) Уменьшение шумов в схеме составного усилителя; б) сокращение полосы шумов без уменьшения полосы сигнала

Сокращение полосы шумов показано на рис. 5б затененной областью. Визуально оно не выглядит существенным, но это из-за логарифмического масштаба. В действительности уменьшение шумов получается весьма значительное, потому что на этом верхнем частотном участке логарифмического графика представлена бóльшая часть полосы пропускания усилителя. Перемещение точки единичного усиления шумов с 2 МГц до 200 кГц снижает выходной шум А 1 примерно в три раза. Чтобы получить тот же результат при помощи шунтирования обратной связи, придется уменьшить полосу пропускания сигнала в 10 раз. При подхо де, показанном на рис. 5а, эта полоса не изменяется. Усилитель А 2 не добавляет ни шумов, ни постоянного смещения, так как он включен после усилителя с большим усилением А 2 . При использовании операционного усилителя OPA111 с исключительно малым входным шумом эта схема улучшает подавление шумов до фундаментального ограничения, накладываемого резистором обратной связи. Это условие сохраняется для всех практически применяемых значений большого сопротивления обратной связи. В качестве второго усилителя выбран широкополосный OPA404, ослабляющее действие которого простирается далеко за пределы полосы единичного усиления A 1 . Это предотвращает появление второго пика усиления, который может вызвать генерацию. Сигнальная полоса преобразования тока в напряжение при этом совершенно не затрагивается, так как на R 1 ничто не повлияло.

Показанная на рис. 5 технология обычно используется при низких уровнях сигнала, когда система особенно чувствительна к шумам. При большом значении сигнала становится важным ограничение скорости нарастания сигнала, но при использовании второго усилителя также можно добиться значительного улучшения ситуации. Ограничение скорости нарастания вызвано ограничением максимального выходного напряжения А 1 и его ослаблением в А 2 . Если максимальный размах напряжения на выходе А1 составляет 12 В и усиление А 2 равно 1/10, как показано на рис. 5, то итоговое выходное напряжение ограничено размахом 1,2 В. Для малых сигналов это будет приемлемо, так максимальные практически используемые значения сопротивления обратной связи сами по себе ограничивают выходной размах.

Окончание статьи

Литература

Tobey G., Graeme J., Huelsman L. Operational Amplifiers Design and Applications, McGrawHill, 1971.
OPA101 product data sheet, PDS-434A, Burr-Brown Corp., 1980.
Morrison R. Grounding and Shielding Techniques in Instrumentation. 2-nd edition. John Wiley & Sons, 1977.
Sutu Y., Whalen J. Statistics for Demodulation RFI in Operational Amplifiers. IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility. August 23, 1983.