Problema con el amplificador de transimpedancia saturado

Estoy usando un amplificador de transimpedancia con un fotodiodo PIN de silicio BP104 para recibir pulsos entrantes de un LED infrarrojo con una frecuencia de alrededor de 100 kHz. Aquí está la parte relevante de mi esquema:

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No he incluido valores específicos para la red de retroalimentación, como ocurre con todos los valores que he probado. Ahora aquí está el problema: este receptor solo funciona más alláuna cierta distancia entre el LED transmisor y el fotodiodo; esta distancia depende de la ganancia, que es el valor de la resistencia de realimentación. Si lo tengo demasiado cerca del LED IR, la salida simplemente se satura a mi voltaje de suministro (+10V). ¿Alguna idea de por qué sucede esto? Sé que no es simplemente que se esté cargando el capacitor, ya que también ocurre sin eso. Mi mejor suposición es que cuando tengo el LED demasiado cerca, estoy generando demasiada corriente, lo que está tratando de elevar el voltaje de salida más allá de su límite máximo, lo que hace que se desvíe y lo afecte internamente. Sin embargo, tengo problemas para convencerme de esto, porque mi transmisión es una onda cuadrada con un ciclo de trabajo del 50 %, por lo que durante la mitad del período no hay ninguna señal y, sin embargo, la salida continúa manteniéndose constante en +10 V. ¿Una cantidad tan intensa de irradiación en el fotodiodo está causando que persista una corriente a través de las partes BAJAS de la señal? Esta es la primera vez que uso un amplificador de transimpedancia en una aplicación seria, por lo que esto puede ser obvio. Muchas gracias de antemano por cualquier idea o consejo.

Editar : aquí hay un gráfico que muestra los valores de resistencia que he probado. Más específicamente, muestra mi distancia máxima transmitida frente al valor de resistencia (ganancia). La curva azul es la predicción de mi teoría y los puntos rojos son mis datos.

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¿Qué valores de resistencia y capacitancia has probado?
@ helloworld922 Edité mi publicación para incluir una trama que podría ser útil. Una capacitancia de 2pF parece funcionar bien, excepto para ganancias altas, en las que no tener capacitor parece estar bien. Necesito descansar un poco, pero responderé en unas horas si respondes.
Para evitar problemas de saturación, ¿has visto el diseño IrDA? visay.com/docs/82633/tfbs4711.pdf

Respuestas (2)

Estás sobrecargando el amplificador. La recuperación de una sobrecarga puede ser muy rápida, pero 1 milisegundo no es infrecuente, y decenas de ms son posibles incluso con amplificadores operacionales GBW de varios MHz.

Hay amplificadores como el OPA380 , que tiene recuperación de sobrecarga de 100ns.

No veo un número para el LF357, puede medirlo, como se sugiere en esta clásica nota de aplicación AN356 de Analog Devices .

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Perfecto, muchas gracias por la respuesta. ¿Tiene alguna recomendación personal sobre cómo evitar este problema sin cambiar el amplificador operacional? Veo en esa nota de aplicación (que es genial) en la Figura 10 que hay un "circuito de abrazadera" para este problema, que construiré si mi laboratorio tiene los componentes, sin embargo, ¿qué recomendaría si no los tienen? Gracias de nuevo.
El circuito de abrazadera es un enfoque razonable, aunque no es tan simple, creo que el resultado final es que los diodos FD333 terminan efectivamente en paralelo con el PD en lugar de la resistencia de retroalimentación, que es mucho mejor, y la capacitancia zener cae fuera de la ecuación (la capacitancia 1N4148 es una carga en la salida). Personalmente, compraría el amplificador operacional de $6. Los diodos de baja fuga serán difíciles de encontrar datasheet.octopart.com/FDH300A-Fairchild-datasheet-28922.pdf Puede probarlo con todos los 1N4148 y ver si es lo suficientemente bueno para usted, o usar JFET conectados a diodos para el diodos
Veo que la salida máxima del OPA380 es inferior a 10V, que es lo que necesito. ¿Hay otro amplificador operacional con un pequeño tiempo de recuperación que sugeriría? gracias de antemano
Tal vez AD8067. Los amplificadores limitadores son buenos, pero no muchos que sean de alto voltaje.

Spehro tiene razón. La forma "obvia" de solucionar el problema es reducir el valor de la resistencia de retroalimentación. Esto, por supuesto, perjudicará su alcance máximo.

La segunda forma "obvia" de arreglarlo es poner un zener de, digamos, 7.5 voltios en la resistencia de retroalimentación. Desafortunadamente, esto no funcionará, ya que tales zeners tienen capacidades inversas de ~ 50 pf, y esto matará su respuesta de frecuencia en resistencias de megaohmios como las que usa. Sugeriría una cadena de 4 o más diodos 1N4148, ánodo en la salida opamp. Puede sumar los voltajes de codo al valor que desee, y la conexión en serie reducirá la capacitancia total. Es casi seguro que esto significará que tendrá que deshacerse de su condensador de retroalimentación.

¡Gracias por la respuesta! Estoy un poco confundido sobre por qué los diodos de retroalimentación me ayudarían (soy nuevo en electrónica). ¿La idea es similar al circuito de abrazadera (Fig. 10) en la nota de aplicación a la que se vinculó Spehro? Es decir, ¿evita que la salida se sature? Si es así, ¿cómo actúan los diodos para que eso suceda? Gracias de nuevo, y te votaría si tuviera suficientes puntos de reputación.
Sí, es como la figura 10, pero más simple. El problema con su circuito es que, cuando la corriente de entrada es demasiado alta, la corriente de retroalimentación no puede mantenerse, porque el opamp solo puede producir un rango de voltaje de salida limitado. Con uno o más diodos en el circuito de retroalimentación, después de algún punto (el voltaje de codo de los diodos, ~0.7 v/diodo), la corriente del diodo aumenta muy rápidamente y permite que la corriente en la entrada se iguale. Esto significa que la salida ya no es lineal con respecto a la entrada, pero siempre que los voltajes de rodilla combinados sean lo suficientemente altos, eso no es un problema.
Consulte, por ejemplo, nxp.com/documents/data_sheet/1N4148_1N4448.pdf , Fig. 3 para conocer el voltaje/corriente de un diodo. Como puede ver, para voltajes inferiores a 0,6 voltios, la corriente es esencialmente cero, pero cuando llega a 0,8 voltios, está en decenas de mA. El uso de diodos de señal regulares de esta manera brinda un límite muy suave, es decir, la salida deja de ser lineal mucho antes de que se alcance el límite, pero como digo, eso no es un problema en su aplicación.
Disculpe la demora en la respuesta, he tenido un día muy ocupado; Espero que no hayas perdido el interés. Pido disculpas por ser una carga, pero estoy muy confundido acerca de su sugerencia. He hecho un esquema de lo que creo que estás diciendo, ¿es esta la idea correcta?