Jump to content

    

Усилитель для кремниевого фотоумножителя

Всем добрый день.

Собственно сама задача - усилить сигнал с фотоприемника, а именно кремниевого фотоумножителя (КФЭУ - по сути матрица из лавинных диодов) для последующей подачи на компаратор.

Из особенностей КФЭУ: паразитная емкость 4 нФ; выдаваемый фототок 13 мкА (измерено экспериментально на постоянном уровне без модуляции источника сигнала).

Входной сигнал представляет последовательность прямоугольных импульсов с частотой следования 300 кГц. Ширина полосы усилителя пока что ограничена 1,5 МГц.

Из малошумящих в наличии пока есть только операционники AD8033 (на схеме AD8034, т.к. в LTSpice только он, а это тот же ОУ только сдвоенный, хотя показан как одиночный), попробовал набросать схемку с ними.

Хоть в даташите у AD8033 и красивое rail-to-rail, в реальности минимальный выходной уровень 0,16 В.

Одно из требований - однополярное питание, поэтому пришлось добавить смещение.

Cpd и Ipd - иммитация КФЭУ.

Основные сомнения по поводу второго каскада. Хотел сделать, чтобы усиливал только переменную составляющую со смещением на выходе, а на компаратор потом подавать такое же смещение, как и на первый ОУ. Но почему-то самому не нравится решение с емкостью.

Просьба покритиковать (можно сильно - я не обижусь, только рад буду) и может быть что-то предложить с учетом вышеизложенного.

image.thumb.png.73bc0383b30cb5c3c5e4e68a938d79e5.png

Share this post


Link to post
Share on other sites

Так а что нужно то получить? Какой шум на входе/выходе? Какие амплитуды?

Share this post


Link to post
Share on other sites

А почему коэффициент усиления первого каскада такой маленький? 

И ведь фотоумножитель-то нужно подключать уже не к общему проводу, а к напряжению смещения.

Share this post


Link to post
Share on other sites
17 hours ago, wave48 said:

А почему коэффициент усиления первого каскада такой маленький? 

И ведь фотоумножитель-то нужно подключать уже не к общему проводу, а к напряжению смещения.

Насколько я понимаю, в трансимпедансном включении ОУ частота среза будет определяться как fc = √(GBW/(2*π *Rf*(Cpd+Cin))) - не знаю, как по-другому здесь формулу написать. GBW = 80 МГц - единичная частота усиления ОУ; Rf - сопротивление в цепи ОС; Cpd = 4 нФ - емкость фотоумножителя (или фотодиода), Cin = 2,3 пФ - входная емкость ОУ (но т.к. она сильно меньше емкости КФЭУ, то вполне можно пренебречь).

Исходя из этих данных fc с Rf = 1,4 кОм получается 1,15 МГц. Выше трансимпеданс Zt = Rf на этом ОУ (с такой граничной частотой) и с этим КФЭУ (с такой ёмкостью), как мне кажется, смысла поднимать нет.

Что касается фотоумножителя, то на схеме просто эквивалент, SPICE-моделей на такие вещи я не нашел, так конечно там обратное напряжение -30 В.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Всё неправильно. Вам же указали на грубую ошибку. Ipd должен быть подключен к +U1, а не к общему проводу. Иначе будет ерунда. R3 должен быть на порядок больше. С5 в пределах 5-20 пФ. АЧХ в LTspice построить просто, не нужно никаких сомнительных формул писать. Удачи. 

Share this post


Link to post
Share on other sites
17 hours ago, MegaVolt said:

Так а что нужно то получить? Какой шум на входе/выходе? Какие амплитуды?

На выходе первого каскада нужно получить ОСШ не ниже 15 дБ и без сильных фазовых искажений. У AD8033 плотности шума по току и напряжению, приведенные ко входу, довольно низкие 0,7 фА/√Гц и 11 нВ/√Гц соответственно. Если ограничиться полосой в 1,5 МГц, то это 0,9 пА и 13,5 мкВ. Если я правильно рассуждаю, то усилением по напряжению фактически можно пренебречь, потому что полное сопротивление КФЭУ очень велико, на выходе передается шумовой ток с тем же трансимпедансом, что и фототок, а 0,9 пА сильно меньше 13 мкА. 

Амплитуду нужно получить максимально возможную, это опять же в первую очередь относится к первому каскаду, т.к. по сути он будет определяться ОСШ.

Т.к. принимаются прямоугольные импульсы, то нужно сохранить форму на приеме, обеспечить по возможности ровную полку без горбов, т.к. большие горбы на компараторе никаким гистерезисом потом не отфильтруешь, ну и чувствительность резко упадет. С этим у меня как раз основные сложности, т.к. опыта в аналоговой схемотехнике не столько, сколько хотелось бы.

Share this post


Link to post
Share on other sites
59 minutes ago, wave48 said:

Всё неправильно. Вам же указали на грубую ошибку. Ipd должен быть подключен к +U1, а не к общему проводу. Иначе будет ерунда. R3 должен быть на порядок больше. С5 в пределах 5-20 пФ. АЧХ в LTspice построить просто, не нужно никаких сомнительных формул писать. Удачи. 

Ipd с Cpd на этой схеме всего лишь иммитация импульсного источника тока, не SPICE-модель КФЭУ, об этом я вроде как написал в первом сообщении. К неинвертирующему входу ОУ он подключен не должен быть, на анод подается обратное напряжение.

На счет сомнительных формул - это конечно сильно, я не сам её выдумал, она даже в даташите на тот же AD8033 есть и в любом даташите на трансимпедансный усилитель. Соответственно, если сделать R3 на порядок больше, то частота среза станет 460 кГц и о приёме прямоугольных импульсов с частотой 300 кГц можно не говорить.

Специально для Вас сделал R3 15кОм и C5 5пФ, АФЧХ для первого каскада из LTSpice

image.thumb.png.fe502f0ffa7480e79582a6acd6759b5e.png

Edited by Nemos760

Share this post


Link to post
Share on other sites
On 5/31/2019 at 4:00 PM, Nemos760 said:

Основные сомнения по поводу второго каскада.

Как правило, пляски с бубном происходят вокруг первого каскада. А в случае фотоприёмников, это практически норма.

Думается, что первый каскад у Вас будет тупо возбуждаться. Емкость у фотоприёмника большая, так просто с ним не управишься.

Очень рекомендую почитать что-нить специализированное на этот счёт.

Например, у ADI есть хорошие книжки по операционникам с подробным разбором подключения фотодиодов и т.п..

 

И кстати, далеко не факт, что для вашего фотоприёмника нужен именно такой первый каскад.

И дело тут даже не в том, что описание "КФЭУ" у Вас никакое.

Работа с фотоприёмником подразумевает необходимость понимания/формализации задачи в целом.

А понять, к чему Вы всё это городите, не представляется возможным.

Share this post


Link to post
Share on other sites
7 minutes ago, prig said:

Как правило, пляски с бубном происходят вокруг первого каскада. А в случае фотоприёмников, это практически норма.

Думается, что первый каскад у Вас будет тупо возбуждаться. Емкость у фотоприёмника большая, так просто с ним не управишься.

Очень рекомендую почитать что-нить специализированное на этот счёт.

Например, у ADI есть хорошие книжки по операционникам с подробным разбором подключения фотодиодов и т.п..

 

И кстати, далеко не факт, что для вашего фотоприёмника нужен именно такой первый каскад.

И дело тут даже не в том, что описание "КФЭУ" у Вас никакое.

Работа с фотоприёмником подразумевает необходимость понимания/формализации задачи в целом.

А понять, к чему Вы всё это городите, не представляется возможным.

КФЭУ SensL MicroFJ-60035-TSV. Емкость у него, я бы сказал, огромная, надо запас по фазе обеспечить.

Находил много указаний по применению (application note) у ADI, там, как правило, подключение фотодиодов выполнено аналогичным способом и частотная коррекция в цепи ОС, собственно оттуда и взята схема в качестве основы. Попробую поискать книги.

А для чего горожу - прием импульсных сигналов прямоугольной формы, как и писал в начале. Оптическая мощность маленькая, поэтому пока что решил попробовать КФЭУ, как один из вариантов. Фотодиоды не вытягивают. У всех кремниевых ФЭУ есть при этом недостаток - большой темновой ток, но это уже немного другая история.

Спасибо за информацию.

Share this post


Link to post
Share on other sites
В 31.05.2019 в 19:00, Nemos760 сказал:

кремниевого фотоумножителя (КФЭУ - по сути матрица из лавинных диодов) для последующей подачи на компаратор.

Из особенностей КФЭУ: паразитная емкость 4 нФ; выдаваемый фототок 13 мкА (измерено экспериментально на постоянном уровне без модуляции источника сигнала)

Празитная ёмкость и фототок характеризуют  статические параметры фотодиода. Необходимо экспериментально измерить его динамичесие характеристики, которые кардинально отличаются от статических.

Share this post


Link to post
Share on other sites

А чем старый добрый AD8015 не угодил? Или его современные аналоги типа MAX3657 или MAX40659

Share this post


Link to post
Share on other sites
16 minutes ago, MegaVolt said:

А чем старый добрый AD8015 не угодил? Или его современные аналоги типа MAX3657 или MAX40659

Да всем угодил, возможно потом и его использую, просто в наличии есть именно AD8033, граничная частота конечно ниже, но надеюсь для попробовать сгодится.

Share this post


Link to post
Share on other sites
В 04.06.2019 в 14:42, Nemos760 сказал:

Емкость у него, я бы сказал, огромная

Профессионально неверная оценка параметра. Параллельно включено 16 фотодиодов, которые в исходном состоянии подключены через токоограничивающий резистор к источнику напряжения 24 Вольт максимально, что описано в ТУ на фотодиод. Лавинный ток разряда формирует на нагрузочном резисторе относительно мощный импульс тока.

В Вашей же схеме параллельно фотодиоду непонятно для чего подсоединён конденсатор 4нФ. 

Нагрузкой служат входная цепь ОУ, которая на выходе ОУ AD 8034 имеет потенциал задаваемый резисторами R1 и R2...   

В 04.06.2019 в 12:03, Nemos760 сказал:

С этим у меня как раз основные сложности, т.к. опыта в аналоговой схемотехнике не столько, сколько хотелось бы

Схема включения фотодиода не соответствует рекомендациям фирмы-производителя. 

Share this post


Link to post
Share on other sites
35 minutes ago, SVNKz said:

В Вашей же схеме параллельно фотодиоду непонятно для чего подсоединён конденсатор 4нФ. 

и эти люди говорят о профессионализме...

СлабО прочитать текст в первом сообщении этой темы, а не только смотреть на картинки?

Share this post


Link to post
Share on other sites

1) Это матрица диодов с лавинным эффектом.

2) Где смещение для диодов для развития лавинного эффекта? в обычной практике вольт 20-30

3) Уменьшать сопротивление связи трансимпедансного усилителя

4) Быть очень аккуратным с разводкой, если уж говорить про прямоугольные импульсы, чтобы фронт не зазвенел. Или вводить цепи коррекции.

 

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now