Ayuda con el circuito amplificador de transimpedancia básico

Soy estudiante de física y estoy realizando un proyecto en el que necesito detectar una intensidad de luz moderada con una respuesta lo más lineal posible (midiendo ángulos usando la ley de Malus (polarización lineal)). De todos modos, estaba usando fotodiodos en modo fotoconductor sin amplificación (solo una resistencia en serie) y funcionaba razonablemente bien, pero hace unos días obtuve lecturas MUY ruidosas (estoy usando un Arduino como ADC). No sé la fuente de las lecturas ruidosas, pero supongo que debería invertir tiempo en hacer que todo el circuito sea más resistente al ruido. Además de los filtros de paso bajo, estaba pensando que ayudaría amplificar la señal en el lado del sensor (hay un cable de aproximadamente 1 m de longitud entre el sensor y el arduino). Así que estaba buscando circuitos de amplificación básicos usando amplificadores operacionales y los circuitos amplificadores de transimpedancia me parecían bastante sencillos, pero estaba equivocado. Estoy tratando de reproducir circuitos de amplificador operacional simples como el que muestro en un circuito a continuación, pero simplemente no funciona. Estoy usando un amplificador operacional LM324N.

Estoy pensando en usar el fotodiodo en modo fotoconductor más adelante (¿más lineal, que yo sepa?), pero primero quiero poner en marcha el circuito de modo fotovoltaico más simple.

¿Alguien puede mirar mis conexiones y señalar si hay algunas fallas obvias en ellas? El amplificador operacional parecía adecuado para el trabajo. Me esta volviendo loco.

El circuito no reacciona a la luz y, en cambio, me da una salida constante de aproximadamente 779 (alrededor de 3,8 V). Intenté usar diferentes resistencias (100 ohmios, 5 kOhmios, 1 Mohm) y obviamente intenté cambiar el diodo;).

Amplificador de transimpedancia (wikipedia) mi circuito

¡Cualquier ayuda sería apreciada!

Editar: como se ha señalado, el circuito se conectó incorrectamente. Hice cambios en el cableado, y ahora obtengo valores cero constantes y valores muy bajos cuando se ilumina con un LED blanco brillante (20-40 en la escala de arduino según la orientación del cátodo, del orden de 100 mV)

No pude agregar el diagrama de bloques del amplificador (no se permite publicar 3 fotos). Aquí el enlace a la hoja de datos: pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/53575/FAIRCHILD/…

Respuestas (1)

Parece que lo has conectado mal.

El pin 3 debe conectarse al pin 11 (tierra). No pin 4 (Vcc).

El fotodiodo también debe conectarse a tierra, no a Vcc.

Parece que tiene la alimentación y la conexión a tierra correctas para el LM324.

Ese circuito probablemente funcionará bien con el LM324 y ese fotodiodo; es posible que necesite un pequeño condensador para mantener estable el amplificador. El valor depende de las características del fotodiodo. Si solo necesita baja velocidad, puede usar algo como cerámica de 0.01uF.

Necesitará una resistencia como 1 megaohmio con ese fotodiodo, que dará una salida de 1 voltio/microamperio. Que intensidad de luz estas usando?

muchas gracias por la rápida respuesta. Acabo de verificar y realmente estaba mal conectado (primero estaba usando otro OP-Amp (el LM358P) donde GND estaba directamente al lado de la salida no inversora y lo conecté de esta manera y no cambié el circuito correctamente al nuevo amplificador operacional). Bastante vergonzoso. Ahora lo conecté de la manera correcta, y primero pensé que no estaba funcionando (mostraba ceros puros), pero luego cambié la resistencia a una resistencia de 1 Mohm, y muestra valores pequeños cuando la linterna lo ilumina directamente. (Alrededor de 20 con cátodo a no inversor y alrededor de 45 cuando cátodo a inversor
Esto me parece bastante extraño, esperaba valores más grandes, especialmente con 1Mohm conectado. Además, es extraño obtener un valor dependiente de la luz independiente de la posición del cátodo. ¿Realmente está amplificando algo? ¿Puedo simplemente ajustar el valor de la resistencia en consecuencia para obtener el rango completo? ¿No tendré problemas al tratar de medir el voltaje en una fuente de impedancia tan alta (con arduino)? La intensidad de la luz que usaría oscila entre iluminada directamente por 7 LED brillantes y nada (dependiendo del ángulo entre los polarizadores).
@DepressedRobot Como estudiante de física, supongo que entiendes la idea de y = metro ( ⋅ X + b ) . Habrá corriente de fuga (polarización y compensación) que debe contabilizarse como parte de sus resultados. También existirá un pequeño voltaje de compensación a través del diodo, con una corriente oscura asociada. Eso es b . Por supuesto, metro es el valor de su resistencia, cualquiera que sea. Además, si la corriente es positiva, la salida se moverá negativamente en respuesta a más luz. Pero es posible que b podría causar que comience ligeramente positivo sin luz. ¿Cuál es el número de pieza del fotodiodo?
Sí, entiendo el concepto de compensación y corriente oscura. Una pregunta: ¿Te refieres a la imagen original que publiqué o a los comentarios recientes? Como señaló Kevin White, primero se conectó incorrectamente (me da vergüenza decirlo). Lo que obtengo ahora son valores 0 si no está iluminado, y valores pequeños si está iluminado con un LED blanco brillante, por lo que siempre reacciona con valores ascendentes positivos a la luz, pero la magnitud de la reacción (20 o 40 en la escala de arduino) depende en la orientación del cátodo. Lamentablemente, no tengo un número de pieza para ese diodo y no hay ningún número de pieza escrito en él.
Sin embargo, noté en pruebas anteriores que reacciona mucho menos a la luz que otros fotodiodos que tengo. Esos otros fotodiodos ya los he incluido en mi prototipo, y el que estoy usando aquí es para fines de prueba. Si ayuda, tengo un fototransistor con número de pieza aquí (ST-KL3B) que produce resultados similares, pero valores más altos (alrededor de 150, conectado de cualquier manera). Estaba usando esos fototransistores primero, pero decidí usar fotodiodos porque leí que la respuesta es más lineal.
@jonk: debe tener en cuenta que los fotodiodos en modo fotovoltaico no tienen corrientes oscuras.
@WhatRoughBeast Seguro que tenían que tenerse en cuenta en lo que hice. Podríamos tener 500 m V a través de la pobre. Incluso tuve que preocuparme por las impedancias del paquete a granel (esos paquetes de epoxi IC de impedancia supuestamente infinita) y, en cambio, hice que Hamamatsu me enviara los troqueles del detector, que me dijeron que era la primera vez que lo permitían. Me divertí con la unión de cables. estaba trabajando en casi 100 fa niveles de escala completa.
@jonk - Ah. Mis disculpas. Sigo olvidándome de las molestas condiciones del mundo real. Es mucho más fácil asumir que los amplificadores operacionales son ideales.
@WhatRoughBeast Fue una de las cosas más divertidas de mi vida, sin embargo, trabajar en el control de bucle cerrado del procesamiento térmico rápido de obleas, así como en cosas generales de FAB. Estaba observando el flocado de fotones (relacionado con los condensados ​​de Bose-Einstein), que es otra fuente de ruido con la que muy poca gente de electrónica tiene experiencia.
pequeña actualización: decidí simplemente conectar el diodo en modo fotoconductor... y la respuesta ahora es mucho, mucho, mucho más fuerte. Con la resistencia de 1 Mohm obtengo una saturación casi instantánea con luz ambiental (alrededor de 900 en arduino), así que cambié a 5 kOhm que da aproximadamente 2 con luz ambiental, pero aproximadamente 900 cuando la linterna está encendida. Creo que incluso podría ir más bajo. Una pregunta adicional rápida: ¿Qué capacitor recomendaría para tener el menor ruido posible? Quiero medir el ángulo de un péndulo en movimiento (período de unos 900 ms), entonces, ¿qué frecuencia de corte sería recomendable?
@DepressedRobot Tengo poca idea de cómo se conectan exactamente las cosas, para ser honesto. Sin embargo, entiendo que estás mirando los recuentos de ADC. Opere sus diodos como sea que funcione para usted. Sus necesidades están cerca de DC y bien en la sección de ruido 1/f. Es posible que desee modular para salir de esa sección de ruido en particular, pero no creo que esté listo para preocuparse por eso. No tengo una sugerencia de gorra. Pero, ¿realmente tienes problemas con el ruido? Parece que está obteniendo un buen número grande con su luz y un buen número bajo sin ella. ¿No es eso lo suficientemente bueno?
@DepressedRobot Lea un poco aquí: hamamatsu.com/resources/pdf/ssd/e02_handbook_si_photodiode.pdf y también comenzando unas 16 páginas aquí: depts.washington.edu/mictech/optics/me557/detector.pdf
@jonk Por el momento, las cosas están conectadas en modo fotoconductor, el cátodo del fotodiodo a +5 V y el ánodo a la entrada inversora del amplificador operacional. La verdad es que después de ese ajuste está funcionando muy bien y debería hacerlo para mis propósitos. No espero problemas particulares con el ruido, pero creo que podría ser una buena idea tener en cuenta la gestión del ruido de todos modos.
Antes de eso, tenía el fotodiodo conectado en modo fotoconductor con una resistencia de 5kohm, sin ninguna amplificación. Funcionó bien la mayor parte del tiempo, pero la última vez que revisé obtuve un ENORME ruido en mi señal y no tengo idea de por qué exactamente, todo estaba como de costumbre, pero obtuve grandes fluctuaciones en mis lecturas de ADC (en lugar de valores alrededor de 250, por ejemplo, Obtuve valores entre 200 y 300). Fue entonces cuando decidí que debería entrar en la gestión del ruido (lo que lleva a la amplificación del amplificador operacional en el extremo del sensor), porque no puedo permitir que el dispositivo sea tan impredecible. Gracias por el enlace, lo voy a leer!
¿Cómo funciona si tienes el cátodo a +5V? Eso inyectaría corriente en el opamp y daría como resultado una salida de voltaje negativo, ya que no tiene un suministro negativo que no funcione y un Arduino no puede tomar una entrada negativa de todos modos. No creo que esté funcionando como crees. ¿Puedes publicar un esquema?
Uf, tiene razón, por supuesto... la salida debería cambiar a negativa... algo que el opAmp no debería poder hacer en este sentido. No tengo idea de lo que estoy leyendo entonces ... 0-1 cuando no está iluminado, 200 (valores de arduino, aproximadamente 1 V) cuando está iluminado. Aquí un enlace al circuito: img1.file-upload.com/i/00235/84y2mtkv3hi5.png
Debe aprender a traducir la disposición física en un esquema, no es fácil ver lo que tiene de una foto. Le ayudará tanto a usted como a nosotros a entender lo que tiene. Parece que solo tiene el fotodiodo en +5 con la resistencia a tierra. Sospecho que es un fototransistor, no un fotodiodo, lo que explicaría el bajo rendimiento cuando se usa en modo fotovoltaico.
Lo siento, publiqué la foto porque pensé que tal vez hice una conexión horrible. Aquí el enlace al esquema (básicamente de wikipedia): img4.file-upload.com/i/00235/sg3pkb1a7giw.png De todos modos, como señaló, no debería obtener valores positivos con esa configuración ... ¿cómo es que estoy en realidad leyendo algo? ¿Cómo podría saber si la cosa es un fototransistor? A mí me parece bastante sencillo y sencillo (más o menos como un led normal... ¿quizás sea eso?)...
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