No se mide la salida en el amplificador de transimpedancia

He estado jugando con un fotodiodo SFH 213 (el claro) y lo conecté a un amplificador operacional TLV2371 para parecerse a un amplificador de transimpedancia ordinario.

He variado el valor de la resistencia de retroalimentación de 10M-30M y aún obtengo cero voltaje de V_out. De acuerdo con la hoja de datos del fotodiodo, la corriente oscura es 1 (<5) nA, así que pensé que con una resistencia de 10 M obtendría 10-50 mV en la salida.

He probado otras configuraciones con el amplificador operacional, como un amplificador no inversor, y funciona tal como se esperaba. Así que no creo que el amplificador operacional esté roto. También conecté 2 fotodiodos (paralelos) en caso de que el que estaba trabajando estuviera roto y para hacer que la señal fuera más fuerte pero aún no había salida. El lado plano del diodo está frente al pin 2 (-in) y el lado redondo está en el pin 3 (+in) que está conectado a tierra. El +9 Vcc para el amplificador operacional es un valor completamente arbitrario.

Siento que es un problema simple y me siento tonto por preguntar. Sin embargo, simplemente no puedo entender qué está mal.

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Por lo general, es una buena idea compartir un esquema en lugar de una imagen verbal de la configuración del circuito. Al presionar Control-Mmientras edita su publicación, aparece el editor de esquemas integrado. Si no tiene suficiente reputación en este sitio para publicar un esquema, cargue uno en cualquier sitio público para compartir imágenes y agregue el enlace aquí como un comentario: Alguien con derechos de edición lo incorporaría a su pregunta.
Gracias por eso. Iba a subir una imagen pero sí, no tengo suficiente reputación. Incluiré un esquema.
Ahora debería tener suficiente reputación.
La corriente oscura de la hoja de datos se especifica con VR = 20 V, donde su circuito aplica 0 V, por lo que no esperaría ver el mismo valor. De hecho, con 0 V aplicado, esperaría ver esencialmente 0 corriente oscura, como en cualquier otro diodo con 0 V aplicado. ¿Ha probado realmente aplicando una señal óptica al PD?
Veo. Soy nuevo en la lectura de hojas de datos y todas estas cosas divertidas, así que supongo que lo pasé por alto. La única luz que incide en el PD es la luz ambiental de las bombillas fluorescentes de la habitación. Mi aplicación prevista no permitirá otra fuente de luz además de esa. Sin embargo, planeo aplicar una señal óptica a la que el PD sea sensible cuando tenga tiempo solo para ver qué sucede.
Si su aplicación no usa ninguna luz a la que el PD sea sensible, ¿por qué tiene el PD en su sistema?
Bueno, por lo que creo, el PD puede detectar una determinada longitud de onda emitida por la bombilla fluorescente. Estoy tratando de usar el PD para detectar la diferencia entre una superficie en blanco y negro que asumo refleja más o menos esa longitud de onda de luz específica. Corrígeme si me equivoco (lo que suelo hacer).
Si bien el sensor tendrá alguna respuesta en el rango de 400-600 nm donde emiten los fluorescentes, hay otras razones por las que no creo que haya elegido un buen sensor para esa aplicación. Consulte el gráfico de "características direccionales" en la hoja de datos. Este sensor está diseñado para casos en los que puede apuntar el sensor a una fuente brillante (como fibra óptica o IR de espacio libre). ¿No podrías usar una celda CdS ordinaria aquí?
En realidad, no fue mi elección qué componentes puedo usar para implementar lo que estoy tratando de hacer. También estaría mintiendo si dijera que entiendo completamente lo que dice ese gráfico, pero lo investigaré más. Gracias por tu contribución.
Pruebe el circuito en designtools.analog.com/dt/photodiode/photodiode.html . Proporciona un Vref para configurar el amplificador operacional cómodamente en su rango de trabajo y proporcionar polarización inversa al fotodiodo.
Eliminé este enlace de la respuesta de Andy porque mi comentario ya no se aplica. Su circuito también se analiza en esta pregunta anterior: electronics.stackexchange.com/questions/36086/…
@ThePhoton Tienes razón. Mi PD es más adecuado para aplicaciones que requieren una fuente brillante. Me aseguraré de obtener un fotodiodo diferente o simplemente usar un fototransistor (menos dolores de cabeza). Mientras tanto, todavía me gustaría intentar que esto funcione si es posible.
@ScottSeidman Veré si esto solucionará mis problemas. Gracias por tu sugerencia.

Respuestas (3)

La forma en que está verificando su circuito no es apropiada. La corriente oscura especificada en la hoja de datos es para un voltaje inverso de 20 V aplicado. Sin embargo, su circuito no polariza inversamente el fotodiodo.

La hoja de datos muestra la corriente oscura típica frente al sesgo inverso:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Sin polarización inversa, debe esperar 0 corriente oscura, como en cualquier otro diodo con 0 V aplicado.

Debe probar su circuito con un poco de luz aplicada al fotodiodo. Una señal de entrada del orden de 10 a 100 nW (dependiendo de la longitud de onda) debería producir una señal de salida medible. Tenga en cuenta que su fotodiodo tiene una respuesta fuertemente direccional, y la luz de entrada debe estar entrando casi "en línea recta" para ser detectada. Esto limitará su capacidad para detectar reflejos difusos.

Reemplacé todas mis partes y rehice el circuito con una fuente de luz IR efectiva y lo hice funcionar bien. En el futuro, reconsideraré si este PD será aceptable para mi implementación. Gracias.

Estoy rehaciendo esta respuesta porque leí mal la dirección del fotodiodo cuando respondí por primera vez, pero el circuito aún no funcionará hasta que la intensidad de la luz que golpea el fotodiodo pueda generar suficiente voltaje en el dispositivo para ayudar al amplificador operacional. .

Para que el amplificador operacional funcione en su región lineal, debe tener sus dos entradas casi al mismo voltaje. Estoy hablando de un par de milivoltios para este dispositivo y la mayoría de los demás.

Para poder acercar la entrada Vin- a la entrada Vin+ (a tierra), la salida tendrá que bajar al riel negativo. A pesar de que este amplificador operacional es de riel a riel, su salida no bajará a tierra; lo más bajo que obtendrá razonablemente es + 50 mV sobre el suelo.

¿Puede ayudar el fotodiodo? Bueno, después de varias lecturas en los enlaces proporcionados por @ThePhoton, creo que puede ayudar, pero solo cuando la intensidad de la luz es suficiente.

El fotodiodo en el circuito solo puede ayudar si puede proporcionar un "tirón" negativo en la entrada Vin. Necesita tirar negativamente para que se contrarreste la salida de +50 mV del amplificador operacional a la compensación de tierra. Está configurado de la manera correcta para lograr esto, pero ¿cuánta luz debe haber en el dispositivo? Bueno, es difícil decirlo, pero sospecho que no hay suficiente para contrarrestar los 50 mV necesarios.

El dispositivo está "sintonizado" a 850nm y progresivamente excluye toda otra luz fuera de este rango, siendo 10% eficiente a 400nm y 1100nm.

Para verificar que esto sea correcto, le pediría al OP que coloque un voltímetro en el fotodiodo para ver qué voltaje de circuito abierto se puede medir. Esto debería confirmar mi "última" sospecha.

@Andyaka Funciona incluso con amplificadores operacionales LMV324 simples y un solo suministro. No he analizado por qué, así que no tengo una explicación para contrarrestar su suposición. Probé una de esas configuraciones usando un LED normal como mi fotodiodo, y funcionó bien para transmitir el código Morse. Vale la pena intentarlo por ti mismo.
Eliminé mis comentarios anteriores porque ya no se aplican.
@AnindoGhosh El LMV324 (Fairchild) o/p puede bajar a 13mV (típico) con un suministro de 5V. El dispositivo del OP puede hacer 50 mV (típico). Ambos tienen una compensación de aproximadamente 2 mV, por lo que claramente el LMV324 está mejor equipado para trabajar en este circuito. ¡El LMV está potencialmente a 11 mV de ser lineal! La parte TI está a 48 mV de distancia, lo que podría ser una gran cantidad de luz ambiental necesaria para alcanzar el LMV.
Como usted preguntó, medí el voltaje del PD en 290 mV (120 mV menos luz). Probé el PD usando un IRLED y funciona como se esperaba con un aumento significativo en la corriente. Sin embargo, al agregar el PD a mi circuito original con luz IR incidente ortogonal, todavía no tengo salida. Seguiré las sugerencias de otros y modificaré mi circuito.
@mphommal, ¿puedes medir el voltaje de salida del amplificador operacional? Sospecho que es superior a +300 mV sobre el suelo para que esto no funcione. Estás usando un TLV2371, ¿no?

Supongo que es uno de los 4 efectos, todos los cuales se evitan con el siguiente esquema:

  1. Ningún amplificador operacional puede conducir su salida hasta sus rieles de alimentación.
  2. Si eres como yo, la ley de Murphy ya se ha activado y tengo los cables del sensor de luz cambiados al revés. (No es posible ver la diferencia entre un amplificador operacional que conduce su salida a GND cuando está oscuro y el amplificador operacional que "intenta" conducir su salida a algún voltaje por debajo de su riel de alimentación negativo cuando está claro; consulte el n.° 1).
  3. Muchos amplificadores operacionales no funcionan bien con las entradas muy cerca de sus rieles de alimentación.
  4. Todos los amplificadores operacionales tienen al menos algo de corriente de fuga de polarización.

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Utilizo el procedimiento de diseño de Dieter Knollman porque (a) es simple y (b) equilibra correctamente las entradas para que la mayor parte de la corriente de fuga de polarización se cancele.

Con este circuito, espero que la salida sea aproximadamente la misma que la entrada + (alrededor de 4,5 V desde tierra) cuando el sensor está oscuro.

Con este circuito, hay muchas posibilidades de que la salida baje ( hacia GND) cuando saque la cubierta del sensor de luz. Eso me dice que he cambiado los 2 cables del sensor.

Si eres como yo, eventualmente conectas diodos a GND y +9V solo para ver qué sucede. Por desgracia, es bastante decepcionante: la parte que anteriormente era un diodo se ve exactamente como siempre, pero internamente se destruye de forma inmediata y permanente.

Dieter Knollmann. "Diseño con amplificadores operacionales: la técnica de fórmula única lo mantiene simple".

¿Revisó la hoja de datos a la que se vinculó el OP? Su amplificador operacional tiene una corriente de polarización de entrada medida en picoamperios. Y una especificación de E/S de riel a riel que debería ser adecuada para este circuito, dado solo unos pocos 10 de nW de señal de entrada óptica. OP también dio suficiente información para determinar si tiene su diodo instalado al revés.
@ThePhoton: Buen punto, ahora veo que el amplificador operacional tiene excelentes especificaciones. Por desgracia, ocasionalmente coloco partes al revés, incluso cuando sé cuál es la forma correcta, por lo que "suficiente información para determinar si tiene su diodo instalado al revés" es irrelevante.
No se mide la salida en el amplificador de transimpedancia
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