Продолжение цикла статей об операционных усилителях. Требования к полосе пропускания являются неотъемлемой частью обсуждения преобразователя тока в напряжение по двум причинам. Общий выходной шум увеличивается пропорционально квадратному корню из полосы пропускания системы просто потому, что охватывается более широкий спектр шумов. Появляется конфликт между оптимальным соотношением сигнал/шум и полосой сигнала.

Полоса пропускания

Последнее ограничение, влияющее на измерение таких величин, — емкостная связь через воздух вокруг корпуса резистора — всегда остается. Расширение полосы за пределы, обусловленные такими ограничениями, требует уменьшения сопротивления обратной связи и, следовательно, меньшего усиления преобразователя. Некоторые возможности для восстановления усиления показаны на рис. 6а. После преобразователя тока в напряжение просто добавляется второй усилитель, который доводит итоговый выходной трансимпеданс до величины R T = A V R 1 . Таким образом, большое сопротивление уменьшается во столько раз, во сколько раз усиливает усилитель, и во столько же раз увеличивается полоса пропускания.

Рис. 6. а) Добавление усиления напряжения для увеличения полосы при сохранении общего трансимпеданса;
б) графики зависимости полосы пропускания и входного шума (полоса пропускания увеличивается быстрее, чем шум)

ris" align="center">

Рис. 7. Одновременное преобразование тока в напряжение и усиление по напряжению
на одном операционном усилителе: a) влияние нежелательного напряжения на диоде;
б) устранение влияния при помощи подключения диода между входами операционного усилителя

Итоговый выходной шум от резистора в базовой схеме увеличивается пропорционально квадратному корню из усиления напряжения. Здесь добавляется небольшая составляющая, возникающая из-за того, что удален операционный усилитель как нормальный источник повышения усиления. Однако новый источник включен на рис. 7б, снова из-за емкости диода, как показано на рис. 8а. Напряжение шума усилителя, e n , действует непосредственно через емкость, порождая шумовой ток, который течет через R 2 . Цепь емкостной обратной связи, состоящая из C D и C ICM , создает шумовое усиление, максимум которого равен 1 + C D / C ICM и которое существует дополнительно к нормальному шумовому усилению неинвертирующего усилителя.

Рис. 8. а) Схема с емкостью фотодиода, добавляющего положительную обратную связь к схеме на рис. 7б;
б) график усиления

Влияние на частотную характеристику изображено на рис. 8б, и оно также вызывает подъем шумового усиления на высоких частотах. Это происходит на более высоких частотах, чем в базовой схеме преобразователя тока в напряжение, потому что применяется меньшее сопротивление, и этот подъем быстрее прекращается из-за спада частотной характеристики операционного усилителя. Для диода с малой емкостью, использованного в обоих примерах схем, он теперь охватывает небольшую область на графике, что, соответственно, уменьшает влияние шума. Для больших диодов, тем не менее, этот эффект тоже присутствует, как показано штриховой линией для емкости около 200 пФ. Часть спектра, охватываемая подъемом, не находится на верхнем краю полосы пропускания усилителя, как это было в базовой схеме. Следовательно, шум операционного усилителя не стал основным источником.

Помехи

Так как уменьшение шумов, возникающих в схеме, имеет пределы, необходимо рассмотреть и внешние источники шумов. Преобразователь тока в напряжение с его очень высоким сопротивлением крайне чувствителен к помехам от электростатических, магнитных и радиочастотных источников. Эти источники требуют внимания при экранировании, заземлении и физическом расположении компонентов (3), иначе их вклад в шум устройства будет доминировать. В любом случае, физическое отделение источников шума от чувствительных схем — это важнейший шаг, но необходимы и другие меры.

Так как электростатическая связь наиболее часто возникает на частоте питающей сети и тогда одинакова для всех точек схемы, она является естественным «кандидатом» на устранение при помощи подавления синфазного сигнала в операционном усилителе. На этой частоте коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС, CMR) очень велик, но в обычной схеме преобразователя тока в напряжение он не используется. Это следствие несимметричной конфигурации входа вместо дифференциальной, но последнюю вполне можно применять для улучшения подавления шумов, а также уменьшения ошибки по постоянному току. КОСС операционного усилителя не полностью заменяет экранирование, так как электростатическая связь не идеально синфазна относительно входов усилителя. Он необходим как вторая защита, ослабляющая способность которой наиболее полезна для удаления остатков электростатической связи, проходящих через неидеальный экран.

Усилитель с дифференциальным входом на операционном усилителе очень хорошо подходит для сигнала фотодиода. Так как фотодиод генерирует токовый сигнал, он доступен на обоих выводах этого датчика и может подключаться к обоим входам усилителя, как показано на рис. 9а. Здесь ток диода больше не возвращается по «земле», а подается на неинвертирующий вход усилителя. Тем самым создается второе напряжение сигнала, которое удваивает усиление схемы, когда R 1 = R 2 для компенсации. Для данного значения усиления сопротивления резисторов должны составлять только половину от нормального для аналогичного уменьшения ошибки от входных токов усилителя. Здесь также отсутствует постоянное напряжение на фотодиоде, так как он включен между входами операционного усилителя. А так как напряжение между входами практически равно нулю, то отсутствует и ток утечки фотодиода.

Рис. 9. Использование коэффициента ослабления синфазного сигнала операционного усилителя:
а) подача сигнала на дифференциальный вход; б) ослабление электростатической связи

Для большинства случаев электростатической связи с силовыми проводами на частоте питающей сети описанное емкостное шунтирование дает лишь незначительный эффект. Для лучшего подавления высоких частот надо или добавить конденсатор параллельно R 1 , чтобы восстановить согласование импедансов, или же обеспечить постоянный сигнал на синфазной входной емкости. Последний вариант предлагает более точное решение и освобождает от ограничения полосы пропускания, вызванного CICM, так же, как при использовании второго дифференциального подключения. Как показано на рис. 10, фотодиод подключается между входами двух преобразователей тока в напряжение, выходы которых соединены с входами дифференциального усилителя INA105. Ток фотодиода снова течет через два одинаковых сопротивления, на которые действует одинаковая электростатическая шумовая связь. Ток диода создает дифференциальный сигнал на сопротивлениях, а шумовая связь генерирует синфазный сигнал. При прохождении через INA105 эти сигналы разделяются: сигнал диода проходит на выход, а шумовой сигнал подавляется.

Рис. 10. Усилитель с дифференциальными входами, имеющий широкую полосу КОСС и усиления
(входные синфазные емкости усилителей соединены с виртуальной «землей»)

Неинвертирующие входы обоих преобразователей тока в напряжение заземлены, поэтому на обоих выводах диода устанавливается нулевое напряжение. Кроме того, в такой схеме исключается появление сигнала на синфазных входных емкостях, поэтому увеличивается полоса усиления сигнала и подавления электростатических помех. Обратите внимание на то, что неинвертирующие входы не подключаются через высокое сопротивление для коррекции ошибок от входного тока. Это не нужно, так как А 1 и А 2 формируют согласованные напряжения на своих выходах. Эти напряжения являются синфазным входным сигналом для INA105, и поэтому они подавляются.

Другая функция, которую может выполнять дифференциальная схема на рис. 10, — это дифференциальное измерение сигналов от двух фотодиодов. Вместо D 1 к входу каждого преобразователя тока в напряжение подключается по отдельному диоду. Эти диоды показаны на рис. 10 штриховыми линиями. Их токи порождают независимые напряжения на выходах A 1 и А 2 , после чего они проходят через дифференциальный усилитель для устранения синфазной составляющей. Оставшееся выходное напряжение пропорционально разности между двумя входными фототоками как мера относительной освещенности. Такой сигнал используется в датчиках положения или слежения за оптической дорожкой в качестве сигнала обратной связи.

Может оказаться, что магнитную шумовую связь труднее устранить, чем электростатическую, но ее влияние также уменьшается при использовании дифференциальных входов. В этом случае возникает связь через взаимную индуктивность, поэтому основной задачей является минимизация размеров петель проводников вместе с экранированием и максимальным разделением источника и приемника помех. Ее влияние не устраняется электростатическим экраном, поэтому первым шагом должно быть подавление помех непосредственно на их источнике. Силовые трансформаторы, которые невозможно удалить на достаточное расстояние, должны иметь экранирование, чтобы бóльшая часть их магнитных полей оставалась внутри трансформатора. Оставшиеся магнитные связи воздействуют через физическую и схемотехническую конфигурации. Резисторы с большим сопротивлением, используемые в трансимпедансных усилителях, чувствительны к этому воздействию, и соединения между этими резисторами и высокоимпедансными входами операционных усилителей должны быть как можно короче. Оставшиеся помехи делаются синфазными за счет согласования формы и размеров проводников, чтобы операционный усилитель мог их подавить. На рис. 9, 10 большое сопротивление разделено между двумя одинаковыми элементами, которые физически монтируются с одинаковой ориентацией и на одинаковом расстоянии относительно источника магнитных помех. Помехи, наведенные на два резистора, в этом случае создают одинаковые сигналы, которые подавляются на выходе усилителя.

Третья разновидность помех — радиочастотные — хуже ослабляются усилителями, поэтому основные способы борьбы с ними — это экранирование и фильтрация. Источники радиочастотных помех могут оказаться поблизости от схемы с фотодиодом, например, это могут быть цифровые схемы, которые наиболее часто присутствуют в системе. На высоких частотах операционные усилители имеют небольшое усиление и слабое подавление синфазных сигналов, и поэтому они не могут подавлять радиочастотные сигналы. Из-за этих ограничений операционных усилителей и ограничения полосы в основной схеме преобразователя тока в напряжение исследуемые сигналы не могут находиться в радиочастотном диапазоне. Для удаления нежелательных сигналов можно использовать фильтрацию, если ее удастся применить на входе усилителя. Фильтрация после усилителя менее эффективна, так как операционный усилитель может работать подобно радиочастотному детектору, отделяющему более низкие частоты от несущей. Дальнейшее уменьшение этих видов шумов можно получить при помощи радиочастотных экранов и «земляных» слоев на печатной плате.

Литература

1. Tobey G., Graeme J., Huelsman L. Operational Amplifiers — Design and Applications, McGrawHill, 1971.
2. OPA101 product data sheet, PDS-434A, Burr-Brown Corp., 1980.
3. Morrison R. Grounding and Shielding Techniques in Instrumentation. 2-nd edition. John Wiley & Sons, 1977.
4. Sutu Y., Whalen J. Statistics for Demodulation RFI in Operational Amplifiers. IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility. August 23, 1983.

Сигнал фотоприемника, собранного по схеме на рис.10, обычно требует преобразования для последующей обработки и регистрации.

Причина состоит в том, что сигнал формируется на сопротивлении и зависит от его величины. Но если говорить о последующей работе с ним, то рост сопротивления удаляет нас от эквивалентной схемы источника напряжения. Последний должен иметь как можно меньшее сопротивление.

Сам фотодиод представляет собой источник тока, но тоже не идеальный. Эквивалентная схема должна содержать наряду с ним параллельно сопротивление, величина которого будет зависеть от мощности регистрируемого излучения.

Выйти из этой ситуации позволяет схема, показанная на рис. 11. Это базовая схема, обычно предлагаемая для фотоприемника. Она построена на основе операционного усилителя и опирается на его свойства. При этом надо иметь ввиду, что входное сопротивление используемых для этих целей микросхем должно быть очень велики. Их входные токи составляют пико и даже фемтоамперы.

Поскольку положительный вход микросхемы соединен с землей (0 В), то и на отрицательном входе будет поддерживаться 0 В. Из-за большого входного сопротивления микросхемы сумма токов в узле, связанном с отрицательным входом микросхемы будет равна 0. Поэтому выходное напряжение U микросхемы будет выражаться формулой

U = I Ф · R ОС,

где R ОС – сопротивление обратной связи.

Рис.11. Схема фотоприемника с отрицательным смещение на фотодиоде. Операционный усилитель AD8615 .

Частотные свойства фотоприемника определяются постоянной времени τ = R ОС · C. В состав конденсатора следует включить не только емкость диода, но и монтажа.

Стоит обратить внимание на то, что многие микросхемы работают и по входу и по выходу, как rail-to-rail, то есть в диапазоне входных и выходных напряжений от одного питания до другого. Кроме того, они часто ориентированы на работу с пониженным, батарейным питанием, что создает дополнительные удобства и для работы, и для защиты от помех.

Если говорить о представленном схемотехническом решении в целом, то речь по сути идет о преобразовании сопротивления. Специально разработанные микросхемы решающие данную задачу получили название трансимпедансных усилителей.

Другая, часто встречающаяся схема для преобразования тока фотодиода в напряжение, приведена на рис.12. В этом случае на фотодиоде поддерживается напряжение равное 0 В. Так как темновой ток при этом компенсируется диффузным, он не влияет на регистрируемый сигнал, и наблюдается только фототок. Таким образом, данное решение позволяет устранить влияние на выходное напряжение темнового тока. Однако, как и прежде, частотные свойства фотоприемника, построенного по этой схеме, будут существенно хуже, чем у схемы на рис.11 .

Рис.12. Схема фотоприемника с нулевым напряжением на фотодиоде AD8541 .

4.4. Шумовые свойства фотоприемников на основе фотодиодов

Поскольку фотодиод является датчиком излучения, он и определяет исходный уровень шумов в системе регистрации.

Ток на выходе фотодиода I Ф складывается из трех составляющих.

I Ф = I ФОН + I ДЕТ + I Т,

где I ФОН – ток фонового сигнала, I ДЕТ – детектируемого ток, I Т – темновой ток.

Пренебрегая фоновой засветкой, имеем только две составляющие тока. Фундаментальным источником шумов, связанным с током, является дробовый шум (i ДР) 2 .

Его величина может быть оценена из соотношения

(i ДР) 2 = 2 · e · I · Δf,

где e - заряд электрона, I - ток, Δf - полоса приема.

Таким образом, в случае малого сигнала роль шумов темнового тока становится определяющей в определении чувствительности схемы.

Если ток протекает через активную нагрузку фотодиода величиной R L , к дробовому току добавляется тепловой шум

(U Т) 2 = 4 · k · T · R L · Δf,

где k - постоянная Больцмана, T- температура Кельвина.

Наконец, надо иметь в виду, что шумы последующих за фотодиодом устройств могут быть выше шумов фотодиода, например, шум трансимпедансного усилителя, преобразующего токовый сигнал в сигнал напряжения .

Использование: в приемных устройствах оптических систем связи. Сущность изобретения: для повышения чувствительности в усилитель фототока, содержащий фотодиод 1, входной двухкаскадный усилитель с параллельной обратной связью по напражению, выходной формирующий каскад, выполненный на триггере Шмитта, введены элементы автосмещения фотодиода 1 на транзисторах (Т) 7 - 9 и резисторах (Р) 16, 17, каскад на Т5, 6, прямосмещенном диоде 10 и Р14, параллельная RC-цепь между эмиттером Т2 и базой Т6. При наличии оптического сигнала через фотодиод 1 протекает ток, который усиливается Т8 и Т9, токи которых складываются и образуют базовый ток Т7. Сигнальный ток коллектора Т7 образует ток смещения на Р12, потенциал на базе Т2 уменьшается и уменьшается коллекторный ток Т2, что приводит к уменьшению падения напряжения на Р16, 17. Напряжение смещения усилителя тока на Т7 - 9 увеличивается с таким расчетом, чтобы скомпенсировать увеличение падений напряжения на эмиттерных переходах Т7 - 9 и сохранить постоянной величину отрицательного смещения фотодиода 1 и потенциалов его выводов относительно шин питания и монтажа устройства. 1 ил.

Существуют два способа получения сигнала от фотодиода: снятие с него напряжения или тока. Для измерения напряжения схема усиления должна иметь достаточное сопротивление по переменному току, чтобы ток, протекающий через ее вход, был минимальным.

Согласно схеме на рис. 2.1,(а - напряжение; б - ток) а, фотодиод включен последовательно со входом усилителя. Цепь обратной связи состоит из резисторов R1 и R2; она позволяет напряжению на фотодиоде изменяться соизмеримо с напряжением на входе усилителя. В таком случае отношение выходного напряжения к входному будет логарифмическим, так как чувствительность фотодиода изменяется в зависимости от приложенного к нему прямого напряжения.

усилитель фотодиод излучение

Рисунок 2.1 - Выходной сигнал фотодиода

Постоянная чувствительность при постоянном приложенном напряжении позволяет сделать вывод о том, что для получения линейной зависимости выходного сигнала от световой энергии разумно использовать измерение тока. Обратная связь операционного усилителя устанавливает нулевую разность напряжений между входами, поэтому падение напряжения на диоде также равно нулю. Это обстоятельство позволяет схеме преобразователя тока в напряжение, показанной на рис. 2.1, б, обеспечивать входное сопротивление, равное

где Ku -- это коэффициент усиления операционного усилителя с разомкнутой петлей обратной связи;

R1 - резистор.

Несмотря на то, что сопротивление R1 обычно очень велико, результирующее входное сопротивление остается пренебрежимо малым по сравнению с выходным сопротивлением фотодиодов.

Ток диода в схеме преобразователя практически не течет через вход операционного усилителя, целиком направляясь к обратной связи R1: потому что на выходе усилителя напряжение равняется произведению тока фотодиода на сопротивление резистора R1. Для получения наибольшего коэффициента преобразования тока в напряжение это сопротивление должно иметь высокое номинальное значение. Недостатком является то, что оно провоцирует появление значительного температурного дрейфа напряжения (из-за температурной нестабильности входного тока усилителя). Чтобы компенсировать его, обычно к неинвертирующему входу усилителя подключают резистор R2 с таким же сопротивлением, как у резистора R1, и добавляют емкостную развязку для устранения большей части его помех. Недостатком такого способа является падение напряжения на диоде и возникающий в результате него ток утечки, который может оказаться даже

больше, чем входные токи усилителя.

Сопротивление резистора обратной связи в преобразователе почти полностью определяет уровень шума и границы полосы пропускания усилителя, а также коэффициент усиления. Шум, вносимый резистором, имеет спектральную плотность и появляется на выходе преобразователя без усиления. Отношение увеличения выходного сигнала к увеличению шума пропорционально квадратному корню из сопротивления резистора R1. Шум операционного усилителя также влияет на выходной шум, действуя через сопротивление обратной связи и емкость диода .

Источники шума в усилителе представлены на рис. 2.2 как входной шумовой ток In и входное шумовое напряжение. Шумовой ток протекает через резистор обратной связи, усиливаясь так же, как и ток сигнала. Если выбрать операционный усилитель с входным током порядка пикоампер, то эта составляющая шума будет пренебрежимо мала для используемых значений сопротивления обратной связи.

Рисунок 2.2 - Влияние емкости диода на работу цепи обратной связи в базовой схеме преобразователя

На первый взгляд, входное шумовое напряжение усилителя передается на выход с небольшим усилением. Это справедливо для постоянного тока, когда усиление, равное, сохраняется на малом уровне благодаря большому сопротивлению диода RD. Емкость диода CD, изменяя работу цепи обратной связи на высоких частотах, усиливает шумовое напряжение. Так как эта емкость и сопротивление обратной связи обычно достаточно велики, эффект может проявляться на довольно низких частотах. Иллюстрация к этому приведена на рис. 2.2, б.

С помощью вносимого ею полюса усиление устанавливается на уровне. Для больших фотодиодов CD может составлять сотни пикофарад, провоцируя возникновение шумового усиления, соответственно, в сотни раз. Это усиление распространяется в область высоких частот и ограничивается полосой пропускания операционного усилителя.

При слишком высоком коэффициенте передачи операционный усилитель самовозбуждается из-за взаимодействия с обратной связью, что приводит к возникновению искажений: выбросам на переходной характеристике, увеличению постоянной времени. Чтобы избежать этого явления, обычно применяют емкостной фильтр, ограничивающий полосу частот.

По мере увеличения сопротивления обратной связи в преобразователе тока в общем шуме сначала доминирует вклад шумового напряжения операционного усилителя, затем вклад резистора обратной связи и, наконец, происходит максимальное усиление на высоких частотах. Такие варианты оптимизации схемы, как использование большого фотодиода, должны рассматриваться с учетом его емкости и ее влияния на выходной шум и общую чувствительность схемы. Большой размер фотодиода фактически может ухудшить общую точность, и добиваться улучшения светочувствительности следует, в первую очередь, оптическими способами, например, встраивая линзу в корпус фотодиода.