eliminando esas salidas no deseadas del amplificador operacional [TIA]

mi enunciado del problema:

Quería digitalizar pulsos de 10 ns de un fotodiodo que está en el rango actual de 100 uA a 1 mA (estos tenían un rango mucho mayor anteriormente, tratados aquí , pronto entendí la gravedad de la declaración del problema y los cambié con sugerencias de otros miembros)

mi enfoque de circuito:

Es posible que esto no logre el rendimiento completo, pero aún puede satisfacer los requisitos a un nivel

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Resultados:

Aporte:

TIA requiere un pulso de entrada de corriente, por lo que he creado una fuente de corriente usando un generador de pulsos generador de voltaje con una resistencia de serie 1K, por lo que para generar una entrada de corriente de 100uA, he dado una entrada de 100mV desde el generador

lo siento, no tengo un generador con tiempos de subida/bajada bruscos, estaba alimentando un pulso de 12 ns con un tiempo de subida y bajada de 6 ns

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Se muestran la salida opamp de la etapa 1 (LTC6269) y la salida LVDS correspondiente, que me han satisfecho inicialmente, pero debajo de la respuesta es una que veo con frecuencia, se ve algún tipo de reflejos repetidos o ruido cerca del pulso

vista 1:

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vista 2:

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vista 3:

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Inicialmente pensé que podrían ser ruidos, pero como se repiten, no he entendido qué son exactamente.

pronto entendí que estos ruidos repetitivos están presentes en la salida del generador de funciones a niveles bajos, pero no sé qué causó esto, ¿mi resistencia serie 1K a TIA los causó?

así que sospeché de mi configuración, ahora traté de colocar el diodo real en lugar de la fuente actual, que no ha mostrado ningún resultado, he visto ruido incluso sin ninguna fuente de luz iluminada, lo cual no es deseado, así que quité el diodo , cuando enciendo el circuito incluso sin entrada, obtengo una salida como la siguiente con una repetición

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¿Es por una conexión a tierra incorrecta? o algun ruido de baja frecuencia??

por favor ayúdenme a encontrar la causa raíz del problema

EDITAR/ACTUALIZAR 1:

la fuente de alimentación se genera a bordo, usando la configuración a continuación, los 12 V provienen de una fuente de alimentación regulada, LTC6269 requeriría un suministro dual de +/- 2.5, por lo que lo siguiente se modifica ajustando las resistencias, LTC6754 requiere solo + 5 V y OPA699 requeriría + /- Alimentación dual de 5V.

Al llegar a la sonda, estoy usando una sonda de 500 Mhz y 10 Mohm con una capacitancia de 11 pF y en el alcance he configurado un acoplamiento de CA con una impedancia de 1 Mohm

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No tengo ni idea de encontrar la fuente de este ruido periódico, principalmente sospeché del generador de funciones, pero ahora siento que ni siquiera hay una fuente presente, ¿puede un opmap generar ese tipo de ruido?

EDITAR / ACTUALIZAR 2:

la salida de opamp y tierra, ambos escalados automáticamente muestran un patrón de ruido similar (el verde es la tierra de la señal), puede deberse a la falta de aislamiento de la tierra de la señal analógica y la tierra de la fuente de alimentación.

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EDITAR ACTUALIZACIÓN 3: resultados después de la adición de filtros pi en las salidas dcdc

con algunas sugerencias de filtros pi, he intentado crear un filtro CLC usando componentes en mi escritorio

L = 10uH y C siendo 4.7uF, 47uF, 0.1uF y 0.01uF (todos 0603 SMD)

No obtuve un 1nF pero pude ver el ruido suprimido hasta cierto punto, esta configuración está soldada y verifiqué si la salida del filtro es adecuada o no, no soldé esto en la placa real, en su lugar tomé +/- 5V de la placa y verificó la salida del filtro

Sin CLC

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Después de CVX

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Parece que algo está generando ruido después del pulso inicial, y dado que está sincronizado con la señal original, debe estar relacionado. ¿Cuándo cambia ese comparador en relación con la señal inicial? Si no es en ese momento, ¿qué más hay más allá de eso?
¿Qué tipo de fuente de alimentación se utiliza para alimentar los amplificadores operacionales? ¿Y con qué tipo de sondas de alcance estás sondeando? ¿Usando qué tipo de conexión a tierra?
Sí, la fuente de alimentación sería mi segunda suposición, ya que volví a leer su pregunta.
@ThePhoton He actualizado sobre la fuente de alimentación y la sonda que se están utilizando
Todavía no has dicho cómo se conecta a tierra tu sonda.
@ThePhoton conecto un extremo de la sonda a la tierra del circuito y el otro a la señal requerida, lo siento si no entendí bien tu pregunta, creo que cometí un error al no aislar la tierra de mi circuito con la tierra de los opamps, ¿es lo que hace esto? Actualizaré la salida de tierra y opamp que muestra el mismo ruido.
¿Cuánto mide el cable que conecta la tierra de la sonda a la tierra del circuito? El bucle formado entre el conductor central de la sonda y su cable de tierra es una fuente típica de captación de interferencias.
Sus amplificadores operacionales deben compartir tierra con la fuente de alimentación que los alimenta. No hay manera de que estés evitando eso.
Desafortunadamente, "lo que necesita saber para diseñar un suministro de conmutación con un timbre mínimo" es más de lo que se puede responder en una sola pregunta y respuesta aquí. Comience leyendo las notas de la aplicación de los proveedores de reguladores (Linear, Maxim, TI, ...) Vuelva y pregunte cuando tenga preguntas específicas.
@The Photon, tenía prisa, lo siento, quise decir que no estaba aislado, un filtro como una perla de ferrita para filtrar el ruido entre los terrenos
Prefiero poner una ferrita en la salida de la fuente de alimentación. Y también coloque algunos límites de menor valor (también físicamente más pequeños) en paralelo con los límites de salida de 47 uF que hay ahora. Incluso puede colocar un filtro LC pi completo entre la salida de la fuente de alimentación que tiene ahora y su carga.
También desea echar un vistazo a la disposición de su circuito de suministro de energía. ¿Está minimizando los bucles que transportan alta corriente durante el ciclo de conmutación? Si tiene preguntas sobre eso, probablemente sería mejor abrir una nueva pregunta en lugar de agregar esta.
Muestre el diseño de su PCB y muestre un diagrama de circuito que tenga todos los componentes y la red, es decir, los componentes del riel de alimentación.
Aparte: cuando aplica 12 V al cátodo del fotodiodo, ese no es el modo fotovoltaico, es el modo fotoconductor.
¡DECIR AH! Hice lo mismo con el primer amplificador de transimpedancia que construí, un poco de ajuste y estaba contando fotones en muy poco tiempo.

Respuestas (3)

Una interferencia tan saludable y agresiva: timbre de 200 MHz. En VDD.

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Los amplificadores operacionales y los comparadores tendrán 0dB PSRR a 200MHz. La reactancia del condensador de derivación: tapa ESL interna + vías de PCB + trazas de PCB ~~ 5nH, es j6.3 ohmios.

Es posible que necesite condensadores de 4 terminales X2Y.com, ~~ 0.5nH instalados.

Prueba esto

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Las redes de PI se repitieron en el Sensor (a 2 metros de distancia). Para la amortiguación, utilice R = sqrt(L/C) 0,3 ohmios; por lo tanto, es útil algún inductor/perla R.

NOTA: La ruta GND/RTN también está interrumpida. Queremos implementar "baterías locales" en la electrónica analógica de bajo ruido.

LOS COMENTARIOS SON MUY BIENVENIDOS. ¿Es esto excesivo?

Esta respuesta sería más útil para OP si fuera más claro que C1 y C2 probablemente deberían construirse a partir de varias partes para manejar tanto el comportamiento de conmutación principal como el problema del anillo.
@ The Photon ¿Así también insertando cuentas entre el SwitchReg y el triple-pi-filter? (Gracias por la sugerencia)
Intenté esto y publiqué los resultados aquí electronics.stackexchange.com/questions/302052/…
¿Puedo retroalimentar la salida del filtro a dcdc? Además, estaré muy feliz si conozco las matemáticas detrás de la elección de los valores L y C, considerando que C es una combinación de tapas de desacoplamiento y L es una perla con resistencia equivalente a 0.3ohm? , amablemente aclare en la respuesta
No. Implemente SwitchReg independientemente del filtro PI. El filtro PI necesita un comportamiento de frecuencia/fase separado del servobucle SwitchReg.

Su fuente de alimentación es un regulador de conmutación. Cada vez que su interruptor interno se apaga (o tal vez se enciende), estas oscilaciones de alta frecuencia se generan y se acoplan de alguna manera a la ruta de su señal (o posiblemente solo a la entrada de su osciloscopio).

Eliminarlos probablemente requiera un replanteamiento total de su plan de administración de energía y/o cambios en el diseño de su PCB.

Editar

salida de opamp y tierra, ambos escalados automáticamente muestran un patrón de ruido similar (el verde es señal de tierra),

El hecho de que su alcance mida (algo de) este anillo cuando prueba la red de tierra (y presumiblemente con el pin de tierra de la sonda también conectado a la misma red en su circuito) indica que parte de lo que está midiendo es señal acoplada (generalmente magnéticamente) desde su circuito hasta la sonda, no necesariamente la señal que está presente en la salida de su amplificador operacional.

Puede minimizar este efecto sondeando el circuito utilizando la conexión a tierra más corta posible entre el circuito y la sonda del osciloscopio. Una antigua respuesta mía muestra ejemplos de algunas sondas diferentes, que indican cuáles son malas y cuáles son mejores.

También preste atención a la orientación del bucle formado por la sonda y su cable de tierra; es posible que pueda girarlo de cierta manera para reducir este efecto.

¿Puede deberse a la falta de aislamiento de la tierra de la señal analógica y la tierra de la fuente de alimentación?

No puede aislar la tierra del circuito analógico de la fuente de alimentación que alimenta el circuito analógico. Debe haber un circuito completo para que la fuente de alimentación pueda entregar energía al circuito que se está alimentando.

perdón por el uso incorrecto de la palabra, quise decir filtro entre los terrenos, no aislamiento, algo así como una perla o estrangulador
No sé si mi observación es correcta, observé que el RT de LT8471 es de 187k, lo que da como resultado una frecuencia de conmutación de 500Khz y mi ruido de salida también parece tener la misma frecuencia, ¿puedo confirmar esto?
Lo confirma. Pero el ruido que ves es absolutamente típico del ruido del regulador de conmutación. Me habría sorprendido si no encontrara la tasa de repetición del ruido igual a la frecuencia de conmutación de su regulador.
Traté de soldar tapas de 4.7uF, 0.1uF y 0.01uF en la salida, pero creó algunas otras ondas de frecuencia de conmutación, puede ser que tenga que incorporar un filtro pi en la salida para eliminar el ruido de frecuencia de conmutación, intentaré abrir un nueva pregunta
PUEDES romper los caminos de tierra, a altas frecuencias. Uso de inductores o perlas de ferrita en GND/RTN. Mira mi respuesta. Cree "baterías locales" en el circuito de bajo ruido.
@analogsystemsrf, bastante cierto, pero asegúrese de que OP entienda que este es un tipo diferente de "aislamiento" del que normalmente hablamos con las fuentes de alimentación. Creo que esto cae en el régimen de "un replanteamiento total de su plan de administración de energía", como dije en mi respuesta.

¿Te tienta considerar esto? Los amplificadores operacionales/comparador no tienen PSRR a 200 MHz. Este circuito inherentemente tiene mucho PSRR; ambas bases del par diferencial se refieren a +5v. Para responder a los pulsos de 2nanoSecond Trise, necesitará transistores más rápidos que 2N3904/2N3906.

esquemático

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Aquí hay algunas especificaciones para el paquete ONNN Semi NPN MMBT5179 SOT-23, clasificado 900MHz---2,000MHz.ingrese la descripción de la imagen aquí