Amplificador de transimpedancia y fotodiodo para BFSK

Estoy trabajando en mi primer circuito amplificador de transimpedancia y tengo algunos problemas. Estoy buscando reconstruir una señal BFSK modulada en un LED. La señal BFSK utiliza una onda sinusoidal de 50 kHz a 80 mA para representar un '1' y una onda sinusoidal de 30 kHz a 10 mA para representar un '0'. La señal tiene una velocidad de datos de 4,8 kHz como máximo. Estoy usando un TSTA7100 para mi LED. El fotodiodo que intento usar es el PC50-7-TO8 .

He construido mi circuito amplificador de transimpedancia de acuerdo con este video de Texas Instruments . Idealmente, me gustaría que mi salida oscile entre 0V y 5V. Aproximadamente he estimado que la corriente de entrada de mi fotodiodo como máximo sería 10uA.

El circuito que tengo conectado actualmente se muestra a continuación:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

El problema que tengo es que no se recrea ninguna señal medible en la salida del amplificador operacional a partir de la señal LED BFSK transmitida. De hecho, en cambio, veo formas de onda extrañas que creo que son causadas por la fuente de alimentación conmutada de +5V. Obtengo la misma forma de onda ya sea que el LED esté encendido o apagado. La salida (nodo V_out) se muestra a continuación:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Mis preguntas son: ¿qué tiene de malo este circuito que hace que el amplificador operacional no recree la señal del fotodiodo? Además, ¿hay algún consejo sobre cómo podría mejorar la calidad de la señal recibida?

Todavía soy un novato con los amplificadores operacionales, por lo que ya ha sido una gran experiencia de aprendizaje. Gracias de antemano por su ayuda.

¿La configuración experimental está en una habitación realmente oscura? ¿Está utilizando un protoboard sin soldadura? ¿Cuál será el entorno óptico típico para este transductor receptor de diodo y su transductor transmisor de diodo asociado (supuesto)?
La polaridad de la fotocorriente es incorrecta. La salida opamp está tratando de volverse negativa, pero solo tiene una configuración de suministro única. Mire otros circuitos para amplificadores de transimpedancia y encontrará que hay configuraciones en las que el PD está conectado entre las entradas opamp inversoras y no inversoras. Trata eso. Su frecuencia no es tan alta como para que deba preocuparse por la polarización inversa del fotodiodo.
@jonk, no estoy en una habitación oscura. Sin embargo, he cubierto el fotodiodo con mis manos y sigo recibiendo la misma señal ruidosa. El ambiente típico será en una habitación iluminada como un laboratorio. Tendré un filtro óptico alrededor de la frecuencia máxima del LED y el fotodiodo.
@elchambro, gracias por tu recomendación. Busqué su circuito sugerido y lo implementé en mi configuración. Desafortunadamente, no cambió la salida.
Trabaja con esto en lugar de con un video. Los videos no son buenos en los detalles. ti.com/tool/TIPD176
Sí, ese video usa CMOS TIA... No creas todo lo que lees. pero comprenda primero los supuestos y las especificaciones. Si conduce con luz intensa (corriente CA > corriente de ruido) OK. pero si se desvanece por debajo del ambiente... y necesita una gran Rf, la corriente de ruido es importante, por lo que CMOS es mejor a menos que use un diseño de 2 etapas
@elchambro Dicho esto: "La herejía del sesgo cero... Esto reducirá la corriente oscura a través del fotodiodo, está bien, pero ese no es el problema que debemos resolver. La corriente oscura del fotodiodo casi nunca es el factor limitante en un visible o medición cercana al IR. Solucionar este problema le cuesta un factor de 5 a 7 veces en ancho de banda (o el mismo factor en SNR de alta frecuencia), además de destruir la linealidad de señal grande, lo que lo convierte en un error costoso. no lo hagas." - Philip Hobbs, "Construcción de sistemas electro-ópticos", Capítulo 3.5.2 Detección óptica

Respuestas (3)

La modificación más fácil que puede hacer a su amplificador de fotodiodo de un solo riel es invertir la posición del fotodiodo y hacer que el ánodo esté conectado a tierra de esta manera: -

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También he marcado la dirección de la corriente del fotodiodo con una flecha roja. Este circuito ahora satisfaría las restricciones de retroalimentación de un amplificador operacional de un solo riel; la salida aumentará positivamente desde cerca de 0 voltios en presencia de iluminación.

Sin embargo, no intente usar esto con ningún amplificador operacional; solo funcionarán los amplificadores operacionales capaces de trabajar con entradas y salidas en el riel de suministro más negativo y el LM324 es bueno para eso.

Con su circuito actual, la salida del amplificador operacional tendría que caer negativamente por debajo de 0 voltios para satisfacer las reglas de retroalimentación para un amplificador operacional; claramente eso es imposible porque su circuito no tiene un riel de suministro negativo y, en efecto, la salida se fija a 0 voltios sin señal útil presente en la salida.

  1. Descuidaste el suministro de ± en el video. Arregla eso.
  2. Con 500kOHm, su corriente de ruido es demasiado alta con los amplificadores OP de estilo BJT, así que use el tipo FET/CMOS, arregle eso. CMOS de alto uso de R.
  3. Eligió un PD sin filtro de bloqueo de luz diurna para que pueda ver la luz radiada de 60 Hz. Arregle eso con un filtro de bloqueo de luz diurna o un filtro de paso IR o cambie PD a un tipo SHArp/Vishay con filtro de "plástico negro".
  4. No tiene especificaciones de diseño para entradas/salidas Corriente de entrada óptica, fuente de alimentación disponible, luz Especificaciones ambientales, fuente de luz, rango de salida, pérdida de ruta [dB], ganancia TIA [dB], BW de ruido {v,i por raíz Hz}, ¿Las piezas de IC están disponibles? Haga una lista de especificaciones. Arregla eso

¿Alguna pregunta? Mi mejor consejo. Siempre haga 4) primero con una lista de verificación antes de cualquier diseño. Buen trabajo hasta ahora.

Si no tiene otras piezas con las que trabajar... dígalo. Puede empotrar PD en un túnel con tubería termorretráctil y luego direccional. Puede sesgar a Vcc/2 y hacer coincidir R para Vin+/-. Si todavía hay demasiado ruido, filtre Vcc con la serie R, reduzca Rf a < 10k y luego agregue la ganancia de CA de la segunda etapa.

Para medir la corriente del sensor Use una carga R y mídala o calcúlela

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

Luego Analice> Ruido y use Vin = xxx uV según su prueba del peor de los casos. incluya SNR y f max BW observe SNR para su diseño.

Sesgo lejos de los rieles de suministro.

Tal vez esta respuesta ayude a comprender el circuito de suministro único:

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

Fotoamplificador de suministro único

Amplificador de transimpedancia y fotodiodo para BFSK
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