Sugerencias para interconectar un fotodiodo en el rango de MHz

La tarea en cuestión es leer las variaciones de la luz entrante a velocidades de hasta 1 MHz, con alguna capacidad de rango dinámico (10-1000 lx con un 1% de precisión sería suficiente).

Esto se utilizará en un dispositivo que mide la calidad de la iluminación (detección de parpadeo en fuentes de luz y luces de fondo). El parpadeo de la luz suele estar en el rango de kHz, pero hemos medido una iluminación CFL de oficina que tiene una pequeña "ondulación" de 100 kHz. Considero que para analizar una señal de 100 kHz al menos hasta cierto punto, se necesitaría una frecuencia de muestreo de 1 MHz o más.

Tengo preguntas sobre la parte analógica y digital de esto :)

La parte analógica de la pregunta es cómo conectar el fotodiodo (SFH213). He leído que un amplificador de transimpedancia es el camino sugerido, pero necesito un TIA de ganancia programable para atender el rango dinámico. Hacer un TIA para una ganancia fija parece factible, e incluso hay circuitos integrados para eso, pero no he encontrado ningún circuito integrado TIA de ganancia programable (o no he buscado lo suficientemente bien). ¿Sería una buena idea usar una ganancia TIA fija, ajustada al rango de iluminación de 1000 lx, y luego seguir con un buen amplificador de ganancia de voltaje programable para cubrir los rangos de 100 lx y 10 lx? (Otras ideas vienen a la mente, pero probablemente sean estúpidas, por ejemplo, un amplificador logarítmico allí).

La parte digital de la pregunta es cómo muestrear la señal resultante a 1 MHz. He seleccionado un dsPIC33FJ16GS502, que cuenta con una frecuencia de muestreo ADC de 4 MHz. ¿Es esto realmente alcanzable? Por supuesto, sería imposible analizar la señal sobre la marcha a 1 MHz, pero puedo usar un enfoque de análisis de almacenamiento de muestra allí.

Respuestas (2)

No puedo hablar de la cuestión digital, pero la analógica es bastante sencilla. Debe usar un TIA con una sensibilidad de 1000 lux, aproximadamente 8 kohm / voltios de escala completa. Use una polarización de aproximadamente 5 voltios y espere una capacitancia de fotodiodo de 4 o 5 pF. Le sugiero que no necesite un PGA, sino que use un par de amplificadores x10 en serie y un multiplexor analógico para seleccionar el canal activo. Tenga en cuenta que seleccionar el canal apropiado no será trivial en algunos casos, especialmente cuando hay mucha CA en la señal. Todos los amplificadores deben seleccionarse teniendo en cuenta la recuperación rápida de sobrecarga o incorporar abrazaderas. Afortunadamente, sus corrientes son tan bajas que una pinza decente debería ser sencilla. Los amplificadores de registro son, en principio, una buena idea, excepto que es difícil hacer un buen amplificador de registro que también sea rápido. El otro problema con los amplificadores de registro es que

ETA En respuesta a una solicitud, aquí hay un TIA usando un AD8651 y +/- 3.3 voltios -

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

El AD8651 está disponible por menos de $4 en onesies.

Una cosa con la que hay que tener cuidado es el valor del condensador de compensación de realimentación. Con los valores que se muestran y una capacitancia de entrada total supuesta de 6 pF (4 pF para el diodo, 2 pF para el IC), mi simulación proporciona un tiempo de establecimiento para un paso de escala completa (3 voltios para 130 uA) de menos de 300 nseg. . Sin embargo, esto es bastante sensible al valor del capacitor, y también lo es a las consideraciones de diseño. Un diseño muy compacto es imprescindible, lo que significa que las placas de prueba están absolutamente prohibidas. También es imprescindible un buen desacoplamiento del suministro de +3.3 en el amplificador operacional: este es un amplificador operacional de 50 MHz.

Gracias por la respuesta. Creo que no tengo mucha experiencia con esta parte, especialmente con la "recuperación rápida de sobrecarga" y las "abrazaderas". ¿Por qué son necesarios? Mi riel de alimentación estará a 3.3 V, y el uso de amplificadores operacionales de riel a riel hará que la salida nunca exceda el Vdd del PIC.
Piénselo de esta manera: digamos que su TIA está configurado para una escala completa de 3 voltios, pero el primer amplificador x10 obviamente no puede responder a más de 0,3 voltios (porque para más, la salida x10 será más de 3 voltios, correcto ?) Cuando la salida TIA es más de .3, el x10 estará sobrecargado, lo que significa que la etapa de entrada estará muy desequilibrada. El punto es que algunos amplificadores operacionales no se recuperan rápido o con gracia de tales condiciones. Algunas hojas de datos de amplificadores operacionales hablarán sobre "recuperación de sobremarcha", lo mismo.
Gracias, eso aclara el tema. Creo que mientras el opamp se recupere con gracia, aunque sea lento, eso no sería un gran problema. Los niveles de luz serán estables (además del parpadeo), y puedo pasar mucho tiempo muestreando el sensor en la salida TIA para determinar el mejor nivel de amplificación para usar. Por ejemplo, si la salida ×1 nunca supera los 0,15 V, utilice el amplificador ×10; y si ESO nunca excede 0.15V, use el ×100.
Tendré que matizar un poco mi respuesta. Hacer un TIA solo con suministros positivos va a ser un problema. Si hay alguna forma de proporcionar un voltaje negativo para sesgar el fotodiodo, tómela.
Por supuesto, los rieles de ±3.3V son factibles. ¿Qué topología específica tiene en mente? Si pudieras dibujar un esquema, sería genial :)
Buen opamp, excepto por la entrada C. La hoja de especificaciones dice 6 pF (diff) y 9 (modo común). Creo que lo que importa son los 6 pf... solo agitar un nodo, no ambos.
@GeorgeHerold - Ah. Afortunadamente me expresé mal. Son 4 pF para el diodo y 2 pF para los cables de entrada. El simulador se encarga de la capacitancia de entrada intrínseca. También tenga en cuenta que su respuesta a continuación que sugiere que 10 MHz GBW está bien no funciona. Primero probé un amplificador operacional más lento. Hay un viejo dicho que dice que "las personas que piden más ancho de banda del que necesitan se merecen lo que reciben", así que empecé despacio. No funcionó.
Bueno, aquí está la respuesta escalonada de un PD TIA (PD = PIN-3CD, OPA134 (8 MHz GBW) y 33 k ohm Rf). Hay un poco de pico de ganancia... pero lo hace ~ 1 MHz OK. dropbox.com/s/i7bcto2q0agi4zh/TEK0034.BMP?dl=0

Obtener un ancho de banda de 1 MHz de un fotodiodo (PD) de tamaño razonable no es tan fácil. Siempre hay que hacer un balance. Desea mucha luz, lo que significa un área grande, pero un área grande significa más capacitancia y eso limita el ancho de banda. Déjame poner algunos números. Primero, supongamos que la luz de la habitación es de unos 500 lúmenes/vatio, por lo que 1000 lux son aproximadamente 2 W/m^2. Un PD típico da ~0,5 A/W, por lo que es ~1 A/m^2 o 1 uA/mm^2. Tengo un poco de PD que uso. Tiene un área de 3 mm ^ 2 y una capacitancia de 12 pf (polarización inversa de 10 V) y 45 pf a 0 V. Ahora le gustaría que la señal del TIA fuera superior a 100 mV. (De lo contrario, el ruido jonhson de la resistencia se convierte en la fuente de ruido dominante). 100 mV/3 uA es aproximadamente 33 k ohm o resistencia. Digamos que tiene ~20 pf de capacitancia de entrada. (PD + opamp + extraviado. ) que da una constante de tiempo RC de 6.6E-7 segundos o ~250 kHz. Oye, lo siento, eso no es tan malo... Necesitarás un opamp bastante rápido para llegar a 1 MHz, pero algo alrededor de 8-10 MHz GBW debería funcionar. Continúe entonces (dejaré esta respuesta de todos modos).

Vaya, el comentario se basó en un dispositivo diferente en un hilo diferente. Lo siento.
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