Gran deriva (la temperatura podría ser la culpable) en este circuito. ¿Alguien puede ayudar?

Propósito: Amplificar el voltaje diferencial de un fotodiodo de dos celdas. La amplificación debe tener una alta ganancia, ya que estamos analizando los desplazamientos de nivel de nm del centroide del haz de infrarrojos que emite la bi-celda.

Circuito: A continuación se muestra un esquema de mi circuito:

  • TA1 y TA2 son los amplificadores de transimpedancia (LTC6268)
  • Todos los OP (1-5) son LM324N
  • Los circuitos de anulación aseguran ( V A − V B ) es cero en la inicialización del circuito.
  • V O S es el voltaje de compensación que se aplica durante la inicialización y será constante durante la operación de nuestro sistema.
  • Las resistencias de 100 k ohmios y el condensador de 3 nF sirven para filtrar en paso bajo la diferencia entre V A norte y V B norte
  • El amplificador de instrumentación (INA217) con resistencia variable tiene una ganancia de 1000
  • La salida del amplificador de instrumentación se filtra y almacena en búfer para obtener sensOut

Necesito la alta ganancia en el circuito para poder captar el sensOut con mi DAQ de 12 bits.

Problema: veo grandes desviaciones en mi circuito, aunque no hay problemas de ruido

Agradezco cualquier consejo sobre cómo mejorar mi circuito. Soy un estudiante de mecatrónica novato y sus comentarios son muy apreciados.

diagrama esquemático

A continuación se muestra una imagen de la deriva de voltaje durante un registro de datos de 24 horas:

gráfico de salida del sensor que muestra la deriva de voltaje

¿Cómo sabes que tu Vos es constante?
Yo uso un DAC de 14 bits
¿Qué sucede si usa un secador de cabello suave sobre el circuito?
¿Qué pasa si enciendes todas las luces del laboratorio?
Ok, entonces, ¿cómo sabes que tu DAC es constante? ¿Cuál es su referencia?
¿No debería R8 ser 66 kohm?
Definitivamente está en un ciclo diario. Eso está bastante claro. La temperatura ciertamente puede ser una parte del problema.
@Amir ¿Por qué resistencias tan valiosas en la etapa de anulación? ¿Cuál es tu pensamiento allí?
@Amir ¿Está realmente alimentando su riel de voltaje positivo a las entradas (+) de sus amplificadores de transimpedancia?
@Amir La fuga en sus dos fotodiodos puede separarse fácilmente con la temperatura con el tiempo. Dos amplificadores operacionales también tendrán Vos ligeramente diferentes. Ellos mismos también varían ligeramente con la temperatura. ¿Cómo estás lidiando con eso?
¿Qué tan estables son los voltajes de su fuente de alimentación? ¿Y qué tan estable es el VREF del DAC?
las resistencias son smd? Los baratos tienden a chupar en comparación con los de orificio pasante.
Hay tantas preguntas sin respuesta sobre esto que votaré para cerrarlo como poco claro.
@AliChen: Probé el experimento del secador de pelo y veo la deriva con él. La temperatura ambiental podría ser una razón, ya que el ciclo de 24 horas también lo muestra.
@AliChen: Todavía no probé la variación de la luz ambiental, pero también pude ver desviaciones más pequeñas en media hora. Las variaciones de la luz ambiental podrían ser más de un tipo de fluctuación de frecuencia más alta en lugar de un ciclo de deriva de 24 horas, ¿verdad?
@brhans: Supuse que está dentro de la resolución del DAC. ¿Tiene alguna sugerencia sobre cómo puedo mejorarlo y asegurarme de que la salida DAC sea constante?
@ThePhoton: ¿Por qué 66k? Incluso lo corté a tierra sin resistencia, pero no hizo mucha diferencia en la salida.
@jonk: utilicé las resistencias recomendadas en la hoja de datos LM324, pero ¿hay algún problema específico con el uso de resistencias grandes? ¿Tiene algún tamaño de resistencia recomendado?
@jonk: tengo un regulador de voltaje separado de +8 V a la entrada + de los terminales de transimpedancia y el común de la bi-celda para aumentar el rango dinámico y poder usar resistencias de retroalimentación más altas en la etapa de transimpedancia.
@jonk: No he puesto nada en el circuito para tratar los problemas que mencionaste, ¿alguna sugerencia?
@analogsystemsrf: Usé reguladores de voltaje de Digikey. ¿Tiene sugerencias sobre qué incorporar para hacerlo más estable?
@RobertEndl: Están a través del agujero
@Amir (No creo que tengas los conceptos básicos correctos, pero no tengo tiempo en este momento para preocuparme por eso. Podría ser solo yo, así que asumiré que diseñaste todo perfectamente). De la mejor manera posible. casos en mi experiencia, he tenido dificultades relacionadas con la interacción de la temperatura ambiente, las variaciones de los voltajes de compensación en los amplificadores operacionales que conducen a corrientes de fuga no deseadas y no gestionadas que también se amplifican. He usado varias técnicas para lidiar con eso, pero siempre he tenido que usarlas. Está utilizando dos fotodiodos diferenciales, por lo que creo que estos problemas están garantizados.
@amir Y una vez que hice todo lo demás (temperaturas estabilizadas a través de una pila de enfriamiento térmico) y/o anulación de compensación ajustable también, los problemas no se detuvieron. Una vez que eliminé la mayoría de los problemas electrónicos, el sistema se convirtió en un detector de rayos cósmicos. En serio. Obtendría pulsos de 1000 a 10000 electrones que aparecen en tiempos de 0,1 s a 10 s. Una vez que encontré documentos de astronomía que documentaban tasas y energías al nivel del mar, correspondía. ¡Así que traté de traer pedazos de materiales radiactivos cerca y por supuesto! Podría notar la diferencia entre las posiciones "en el borde" y "en la cara", etc.
La salida de su DAC solo será tan estable como la referencia que alimenta al DAC. Esto no tiene nada que ver con la resolución del DAC. Si la referencia DAC se desvía un x%, su salida también se desviará un x%.
@Amir, desea que las dos entradas del amplificador operacional "vean" la misma resistencia mirando hacia afuera. Al igual que OP1 tiene dos 100k ohmios en paralelo en la entrada -, por lo que pones 50 kohmios en la entrada + y todo está bien. OP2 tiene tres resistencias de 200k efectivamente en paralelo en la entrada -, por lo que desea 66 k en la entrada +.
Hacer coincidir las resistencias que miran desde las dos entradas significa que cambiar la polarización o las corrientes de compensación de entrada no cambiará el voltaje de salida.

Respuestas (1)

Veo varios problemas relacionados con la deriva.

En primer lugar tienes un potenciómetro de 10 K. Tienen una deriva de temperatura de 200 ppm C. Averigüe la mejor configuración del potenciómetro de ajuste y reemplace la mayor parte de su valor con resistencias fijas, 1% o 0,1%. Reduzca el potenciómetro de ajuste a 1 K o 100 ohmios si es posible, y utilice los potenciómetros de ajuste de 25 vueltas de la serie 3396 de Bourns.

El segundo problema son los pares de resistencias que forman un circuito diferencial, pero la contraparte de las resistencias debe estar al lado, de lo contrario, la deriva de temperatura empeora. OP1 y OP2 deben estar en el mismo paquete.

Tercero. Use resistencias de deriva baja, película metálica con una tolerancia del 1 % o 0,1 % si es posible. Verifique con Caddock (Digikey / Mouser) resistencias ultra estables de .025% de tolerancia si su efecto en la estabilidad es tan importante.

Cuatro. Deseche ese POS LM324 y obtenga un amplificador operacional realmente estable. El LM324 es una tecnología con décadas de antigüedad. También tiene un valor SNR pobre. Considere un amplificador operacional jfet de la serie TL074 que no cargará las resistencias de retroalimentación. Mire también la serie OPA de amplificadores operacionales ultraestables, aunque el costo aumentará.

NOTA: No son visibles en este esquema, pero ¿sus fuentes de alimentación son muy estables? ¿Es su ADC Vref ultra estable? A los 12 bits comienzan a aparecer pequeñas derivas y errores. Si tiene distorsión de bloqueo de bits en el ADC, inyecte ruido rosa igual a 1/2 LSB del ADC Vref.

Gracias @Sparky256 por la respuesta. Incorporaría sus sugerencias e informaría aquí.
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