Detección opamp de voltaje extremadamente pequeño

Estoy trabajando en un proyecto que requiere medir la absorbancia de una solución.

El circuito consta de un emisor LED, un fotodiodo conectado a un opamp con 10 7 ganancia (TIA). La solución absorbe la luz del led y provoca diferentes voltajes correspondientes a diferentes concentraciones. Esto funciona bien para una solución de gran concentración.

Por ejemplo el voltaje obtenido con solución de:

  • 0 mol/l (sin soluto) es 9.95V
  • 100 micromol/l es 8.92V

Pero para concentraciones <=5 micromol/l el voltaje también es 9.95V, lo que indica que el cambio en el voltaje es tan pequeño que no puedo medirlo.

¿Cómo puedo mejorar la sensibilidad? Consideré aumentar la ganancia, pero puede conducir a un máximo de 100V detectado. La saturación de un amplificador operacional es de alrededor de +/- 15V.

Es posible que deba diseñar varios rangos de ganancia o un sistema de rango automático o usar una topología de amplificador logarítmico. ¿Cuál es el micromol/l más alto y el micromol/l más pequeño que necesita medir? ¿Y cuántos decimales de precisión necesitas?
la concentración más alta alrededor de 10,000 micromol/l y la más pequeña alrededor de 3 micromol/l. Se espera un error de menos del 6%
Por "error", ¿está hablando de precisión rastreable a una organización de estándares? ¿O simplemente precisión en el valor de la medida? ¿Qué tan repetible debe ser esto si construyes dos de ellos? (¿Estamos hablando de replicabilidad científica aquí?) Tenga en cuenta que su rango dinámico es más de tres órdenes de magnitud y se acerca a cuatro (y más, si cuenta su 'error' en la mezcla en el extremo inferior).
Me refiero a la precisión en la medición.
El voltaje entre diferentes turnos de medición (por ejemplo: primera vez, segunda vez)... también se espera que no sea muy diferente.
¿Y hará mediciones de 3 a 10 000 en la misma sesión durante un solo experimento? ¿O podría aproximar el rango y establecer la ganancia manualmente para un rango de medidas mucho más pequeño en una sesión?
Tenga en cuenta que está hablando de algo así como una resolución de 150 nanomol/l en el extremo inferior de su escala. ¿Es eso correcto?
Sí, en una misma sesión, me gustaría medir (en micromol/l): 3,5,10,20,50,100,500,1000,10000
Parece que (1) necesitará encontrar una manera de eliminar el desplazamiento y (2) tal vez usar un amplificador logarítmico de CC/transimpedancia. El logamp probablemente tendrá suficiente rango dinámico y también suficiente precisión en la señal. ¿Ya miró el LOG101, LOG102, LOG104 y LOG112, por ejemplo? El DDC112 podría ser otro enfoque, si puede considerarlo. Aunque es diferente. Pero me gusta mucho y lo usé extensamente para un rango dinámico más amplio del que está considerando y en los tipos de ganancias equivalentes que parece necesitar.
Pensé en log opamp hace un tiempo, pero no está disponible para mi país. Dado que el precio también es caro ($ 16 / unidad para LOG101, debería usar 2 opamps). Tal vez eliminar el desplazamiento es la única opción que queda
Si 16 dólares es demasiado, me temo que tendrá dificultades para obtener mediciones precisas y repetibles con 4 décadas de resolución.
@MarcusMüller Joren Un amplificador operacional de 16 $ puede convertirse en un amplificador operacional de $ 50 en las tiendas locales. Incluso si mouser y digikey pudieran hacer algo, una tarifa de envío de 16 $ x2 + también es costosa para que los estudiantes consideremos
@TotallyNew ¿Ha considerado solicitar muestras? (para mi sorpresa) Analog Devices me envió, gratis, >75€ piezas (normalmente 2 de cada una). Esta podría ser una opción que vale la pena considerar, especialmente porque a los fabricantes les gustan los estudiantes.
@JorenVaes tiene un muy buen punto. A los fabricantes les gustan especialmente los estudiantes que utilizan sus circuitos integrados relacionados con la medición en un equipo de laboratorio para realizar pequeñas series de mediciones. Resulta que los estudiantes luego hacen lo mismo cuando son candidatos a doctorado o en la industria, y luego podrían comprar una caja de estos circuitos integrados. Pero realmente, si su investigación depende de $32 y los gastos de envío a cualquier parte del mundo, hable con su profesor.
@Joren & MarcusMüller: gracias por la idea y toda su amabilidad. Estoy tratando de solicitar una muestra. Nuestro profesor en realidad nos financió ~ $ 35 (parece extraño cuando se investiga con $ 35 en EE. UU. o en otro lugar, pero esta es una gran cantidad en mi país). Por eso no quiero gastar demasiado. Pero si la solicitud de muestra es imposible, tal vez le pidamos ayuda a nuestro profesor.
@TotallyNew que parece un curso de acción razonable. El punto es que es posible que no resulte mucho más barato si hiciera esto con su propio diseño: hacer algo que un fabricante de circuitos integrados puede hacer con componentes electrónicos cortados con láser suele ser muy difícil de hacer con componentes discretos, y con estas resoluciones, el ruido y la la interferencia no debe subestimarse, por lo que probablemente tendría que ejecutar al menos dos prototipos en PCB de diseño propio si lo hiciera usted mismo.
@TotallyNew también tenga en cuenta que la familia LOG101 no son los únicos amplificadores logarítmicos que existen: Maxim tiene el MAX4207 , por ejemplo, que generalmente es mucho más barato. (pero es un amplificador que mide corrientes, no voltajes, ¡pero esto podría ser una ventaja en su escenario de uso!
La solución podría no ser un cambio de circuito. ¿Puede usar una ruta óptica más larga a través de su muestra? Por ejemplo, ¿usar una muestra más grande o usar espejos para que su haz óptico atraviese la muestra varias veces antes de llegar al detector?

Respuestas (4)

Los espectrofotómetros suelen utilizar un haz de referencia y un haz de muestra. La idea es que en lugar de tener que detectar estas pequeñas diferencias directamente en presencia de ruido y otras fluctuaciones (por ejemplo, temperatura), solo se mide la diferencia con respecto al haz de referencia.

Entonces, construya dos juegos idénticos de su aparato, y en uno de ellos coloque una cubeta que contenga solo el solvente. Luego use un amplificador de instrumentación con gran ganancia para amplificar la diferencia entre las salidas TIA de los dos dispositivos. Los amplificadores de instrumentación son amplificadores totalmente diferenciales, por lo que son adecuados para medir esta pequeña diferencia en presencia de una gran desviación de CC.

Por supuesto, dado que las dos celdas de absorción no serán completamente idénticas, aún tendrá que lidiar con una compensación de CC. Pero será mucho más pequeño que de otro modo, y probablemente pueda calibrarlo o compensarlo ajustando la ganancia y la compensación para el TIA de referencia.

En lugar de un Log-Amp, usaría un ADC sigma-delta de 24 bits. Aquí hay algunos ejemplos .

Estos logran una precisión extremadamente alta para la medición de voltaje. Sin embargo, también necesita una referencia de voltaje precisa.

Además, tenga en cuenta que su LED y fotodiodo son sensibles a la temperatura, por lo que necesitará calibración.

Publicar un esquema de su circuito puede ayudar a proporcionar respuestas más perspicaces.

Un enfoque sería reducir la corriente al LED de iluminación y aumentar la ganancia del amplificador operacional cuando la concentración de la solución es baja. La reducción de la luz que llega al fotodiodo aumentará el margen de amplificación antes de que la salida se acerque al riel. Esto le permite aumentar efectivamente su resolución de baja concentración.

La ganancia adicional se puede obtener con un amplificador operacional básico siguiendo el TIA. Esto mantendrá sus costos bajos.

Por supuesto, esto requerirá un segundo procedimiento de calibración para el rango de concentración más bajo.

Implemente un cortador óptico, cambiando entre 2 rutas con el estándar y la muestra de prueba. Luego use un amplificador acoplado a CA para aumentar la salida de onda cuadrada.

Esto, como experimento, te permite determinar qué es posible.

"Luego use un amplificador acoplado a CA para aumentar la salida de onda cuadrada". Mejor aún, use un amplificador de sincronización de fase.
Detección opamp de voltaje extremadamente pequeño
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 0v