Compensación de un amplificador diferencial para eliminar la necesidad de un suministro dual

Estoy desarrollando dos circuitos similares que me permitirán diferenciar las coordenadas X e Y de un fotodiodo segmentado (Cuatro segmentos). Estas coordenadas dependerán de la posición de un punto láser que cae sobre la superficie del fotodiodo segmentado. Espero obtener un valor entre (0-5V) para X y (0-5V) para Y.

Fotodiodo de cuadrante

El circuito en el que basé mi diseño usaba un suministro dual (+5/-5V). En mi aplicación estoy usando un microcontrolador con un riel de 5V. El diseño también se beneficiaría de un solo suministro si la salida tuviera un valor entre 0 y 5 V, ya que sería compatible con el rango de entrada ADC del microcontrolador. Por lo tanto, me gustaría ejecutar el circuito desde un solo suministro y usar un amplificador operacional de riel a riel para eliminar la necesidad de circuitos adicionales.

Probé algunas simulaciones diferentes en las que intenté compensar la salida en 2,5 V usando un divisor de voltaje simple, pero los resultados no son los que esperaba.

Simulación

¿Alguien puede explicarme por qué el resultado es así y qué puedo hacer para obtener una salida de 2.5V cuando las entradas (A, B, C y D) son 0V?

Ummf. Vas a necesitar al menos dos amplificadores operacionales. Uno para la dirección X y otro para la dirección Y. ¿Necesita un valor analógico, o solo 0 y 5 V para cada dirección?
Inicialmente tuve el mismo pensamiento pero al volver a leer la pregunta: "Estoy desarrollando dos circuitos similares " deduzco que el circuito que se muestra es para un eje.

Respuestas (3)

Si conecta A, B, C y D a tierra (a través de las cuatro fuentes de voltaje), está poniendo R3 y R4 en paralelo, y también R5, R6 y R9. Termina con un amplificador no inversor con una ganancia de 3 (definido por R1, R3 y R4) alimentado por un voltaje de 5V / 4 = 1.25V (definido por R5, R6, R8 y R9). Entonces, naturalmente, el voltaje de salida es de 3,75 V, más o menos.

Pero para responder a la pregunta sobre lo que debería estar haciendo, necesitará más información sobre lo que está tratando de lograr. ¿Está tratando de encontrar una salida única que indique qué tan "fuera del centro" está el punto láser en el detector de 4 cuadrantes?

¿Por qué está modelando los fotodiodos como fuentes de voltaje en primer lugar? Las fuentes actuales tendrían mucho más sentido.

Un amplificador de diferencia normal para voltajes se ve así:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Vref establece el voltaje de salida para una entrada de "diferencia cero". Para que funcione correctamente, R1 = R2 y R3 = R4.

Tenga en cuenta que los componentes en el cuadro punteado de la izquierda son el equivalente de Thevenin de los componentes en el cuadro de la derecha, que es lo que parece que estaba tratando de hacer con su R8 y R9.

Mmm. Después de volver a leer la pregunta y sus comentarios, creo que veo lo que estás haciendo. Está tratando de combinar las salidas de los cuatro diodos para determinar, por ejemplo, la posición arriba/abajo del punto láser y el mismo circuito con una combinación diferente de entradas para determinar izquierda/derecha. (Entonces, su error fundamental fue que su R1 debería ser de 10k en lugar de 20k. ¿Ve por qué?)

Sería mucho más sencillo girar el sensor 45° y usar, por ejemplo, A y C solo para arriba/abajo y B y D solo para izquierda/derecha.

Gracias por la respuesta detallada. Mi teoría de circuitos está muy oxidada. Puedo seguir la ecuación de ganancia no inversora y ver que originalmente era 3. Cambiando a R1 a 10K obtenemos una ganancia de 1.5. Multiplicando esto por el desplazamiento (1.25V) da los 2.5V deseados. Mi caída fue no ver por qué no debería haber 2.5V en la terminal no inversora. ¿Es un caso de un divisor de voltaje dual, por lo tanto, el voltaje se divide por 4 en lugar de 2?
Cambiar R1 a 10k hace que la ganancia sea 2. El punto es que R1 debe coincidir con la combinación paralela de R3 y R4, independientemente de cuáles sean los voltajes de entrada reales. Del mismo modo, la combinación paralela de R8 y R9 debe coincidir con la combinación paralela de R5 y R6, ¡lo cual creo que acertaste por accidente y no a propósito!
Con respecto a la inclinación del sensor, creo que se reduce al tamaño del punto láser. Si el lugar cae en varios cuadrantes, se proporcionará una posición X e Y independientemente del método de implementación. Sin embargo, si el punto es más pequeño y cae solo en un segmento, creo que su sugerencia solo puede producir una coordenada, ya sea X o Y. Si bien esto aún podría usarse para centrar el haz con el tiempo, me preocuparía que duplique la respuesta. momento de centrar el haz ya que solo se podía mover un eje en un momento dado.
¡Uy! sí, veo que arruiné totalmente esa respuesta. De todos modos, ¡gracias de nuevo!
No, no duplicaría el tiempo de respuesta. De hecho, la respuesta, aunque diferente, llevará exactamente la misma cantidad de tiempo. Considere lo que sucede si el anuncio llega solo a un segmento inicialmente. Con su orientación, el rastreador se mueve en diagonal hasta que el punto toca el eje X o Y, en cuyo punto se mueve horizontal o verticalmente hasta que se centra. Con la orientación diagonal, primero se moverá horizontal o verticalmente, hasta que llegue a uno de los límites diagonales, después de lo cual se moverá en diagonal hasta quedar centrado. La misma longitud de ruta y el mismo tiempo en cualquier caso.

Para el esquema que muestra, A, B, C y D están en GND. El voltaje en la entrada + (no inversora) es de 1,25 V. El circuito de retroalimentación negativa es una serie de 20K y una resistencia de derivación de 10K, para una ganancia no inversora de 3,3 x 1,25 = 3,75 V. Parece que la salida es haciendo lo que se supone que debe hacer.

Ese no es un circuito de interfaz de fotodiodo típico, pero es difícil decir cómo funcionará con su diodo sin más información sobre su diodo.

Aparte de eso, ¿no necesitará dos circuitos amplificadores si desea voltajes separados para X e Y? Por ejemplo, si elimina A y C, lo que queda es una configuración de amplificador diferencial tradicional. Ahora puede configurarlo en una ganancia de 1 con una compensación de 2,5 V cambiando R8 y R9 a 40K cada uno.

¿Puede publicar su circuito original de +/- 5 V como punto de partida?

"¿Puede alguien explicarme por qué el resultado es así y qué puedo hacer para obtener una salida de 2,5 V cuando las entradas (A, B, C y D) son de 0 V?" --AT Dudman

porque R8 y R9 forman su rama del divisor de voltaje de ajuste de compensación de CC. Sugeriría quitar R8 y R9 e insertar un potenciómetro de 50K allí, y usar el cable del limpiaparabrisas como conexión a la entrada no inversora.

Luego ajuste el potenciómetro para leer su compensación de voltaje en la salida.

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