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Evitare la saturazione su un TIA

Elettronica lineare e digitale: didattica ed applicazioni

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[1] Evitare la saturazione su un TIA

Messaggioda Foto Utenteboiler » 19 ago 2022, 17:04

Ciao a tutti

Ho un trasformatore a transimpedenza costruito attorno ad un OPA858.

Il segnale arriva da un fotodiodo (VBPW34).

La situazione, semplificando un po', è questa:



L'ingresso non invertente non dovrebbe essere a 0V, ma per un errore di layout mi ci è finito :oops:
Nella prossima versione sarà dalle parti dei 500 mV.

In certe situazioni non posso evitare che sul fotodiodo arrivi talmente tanta luce, che se l'opamp fosse acceso, andrebbe in saturazione. Il problema è che per uscire dalla saturazione ci mette una manciata di microsecondi, durante i quali succedono cose interessanti che voglio poter registrare.

In fase di design avevo immaginato che sarebbe sorto questo problema e ho previsto un segnale che controlla il power-down dell'amplificatore. So esattamente quando la quantità di luce è tale da non causare piú saturazione e il segnale per uscire dal powerdown arriva circa 20 us dopo.

Fiero di averci pensato, ho testato il circuito per poi accorgermi che non funziona #-o
All'accensione, l'OPA858 va in saturazione e ci resta per un periodo di tempo proporzionale all'intensità della luce che colpiva il fotodiodo prima della sua accensione.

Ovviamente ho tralasciato il fatto che il fotodiodo continua spostare carica anche se l'opamp è spento.

sat--00000.png


Qui si vede come prima dello spegnimento del LED la tensione all'anodo del fotodiodo (e quindi all'ingresso invertente) scende a -210 mV. Tutto il circuito è ad alimentazione singola a 5V.

Un paio di domande:
- siete d'accordo che probabilmente è questo il motivo per cui all'accensione vado in saturazione?
- avete un'idea per risolvere?

In realtà l'op-amp esce dalla saturazione molto in fretta, stando al datasheet entro 200 ns.
Ma avendo un gain di 2.2M, il resistore sulla rete di feedback mi rallenta parecchio.

La soluzione sarebbe abbastanza semplice: un transistor che cortocircuita il fotodiodo quando l'op-amp è spento, ma mi servirebbe qualcosa con un leakage sotto al nA. I FET sono di solito dalle parti delle 1-10 uA.
Oppure potrei cortocircuitare il resistore di feedback. Vantaggi e svantaggi delle due soluzioni?

Vedo che ci sono JFET a leackage bassissimo (2N4117A), ma non ho esperienza sul loro uso.

Una cosa del genere funziona o è una porcheria?



Vi spiego il ragionamento: in condizioni normali drain e source del del JFET sono a 500 mV rispetto a GND. Enable è a 5 V e quindi ha un potenziale maggiore del drain. Se capisco bene il funzionamento del JFET, in queste condizioni non conduce per niente, leackage < 0.1 pA.
Quando l'opamp è spento, il drain resta a 500 mV, il gate scende a 0 V, il JFET comincia a condurre e evita che si formi un potenziale negativo sul suo source.
Sono pronto alla fucilazione :mrgreen:

Grazie per aver letto tutta questa roba :ok:
Boiler
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[2] Re: Evitare la saturazione su un TIA

Messaggioda Foto Utenteelfo » 19 ago 2022, 20:36

Proverei questo circuito.

Un LED BLU ha una corrente di conduzione diretta di 1 nA @ 1.5 V @ 300 K e 10 mA @ 3 V .

Il LED impedisce la saturazione dell'Op-Amp (l'uscita viene "clampata" a circa 3 V) e non "sporca" il segnale a basse correnti (1.5 V su 2.2 M sono 682 nA).


https://www.researchgate.net/figure/Cur ... _271544952
BLULED.jpg
BLU LED Current vs Forward Voltage

[EDIT]
Ho provato ad estrarre dati un po' piu' "precisi" dalla figura e ho:

- tabellato la corrente in ingresso, la tensione di uscita e l'errore
- graficato la tensione di uscita in funzione della corrente in ingresso

Come si vede:

- l'errore e' dello 0.1% per correnti inferiori a 700 nA (1.6 Vout)
- si ha un "clamp" della tensione in uscita intorno a 2.5 V (400 uA In)
BLULED_table.jpg
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[3] Re: Evitare la saturazione su un TIA

Messaggioda Foto Utentebanjoman » 21 ago 2022, 1:12

Ma stai usando alimentazione singola?
Il condensatore in parallelo alla resistenza di reazione quant'e'? Dovrebbe essere da qualche pF, decina di pF, massimo centinaio di pF.
Mi vengono in mente due possibili soluzioni, eventualmente da usare ambedue:
1) Usa una alimentazione duale. Se non ne hai a disposizione, generala tu usando una delle varie soluzioni proposte negli application notes per gli opamp alimentati in singola. Non e' necessario che sia simmetrica: basta che il ramo negativo di alimentazione lo sia a sufficienza per evitare che l'opamp vada in saturazione.
Oppure modifica il circuito in modo che l'op-amp reagisca anche a segnali negativi rispetto alla massa ma non vada in saturazione (anche qui vi sono moltissime soluzioni proposte nei vari app note)
Bisogna sempre ricordarsi che l'op amp non "sa" quale e' la massa. Lui si posiziona sempre per funzionare simmetricamente rispetto a +Vcc e -Vee. Quindi un segnale a massa (0V) ( o peggio negativo) per lui significa cercare di posizionare l'uscita a +Vcc (caso di unity gain inverting follower e alimentazione singola: -Vee = 0).
2) Polarizza il fotodiodo in reverse durante il funzionamento. Avrai un po' piu' di rumore dovuto alla "dark current" ma all'accensione del circuito la carica accumulata nella sua capacita' equivalente verra' dispersa piu' in rapidamente.
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[4] Re: Evitare la saturazione su un TIA

Messaggioda Foto Utentebanjoman » 21 ago 2022, 1:58

Dimenticavo:
se l'evitare la saturazione dell'opamp e' fondamentale e al tempo stesso il circuito in questione non e' destinato a grandi produzioni, ma piuttosto come sistema industriale in piccola serie o sistema di misura da laboratorio, una soluzione drastica, rapida e pragmatica che io adotterei e' l'utilizzo di un piccolo reed a due vie.
Eccitato quando l'apparato e' alimentato, collega il fotodiodo all'opamp.
Quando l'apparato e' diseccitato, commuta il fotodiodo a massa.
Se pensi al costo, ti dico subito che la Meder-Standex ne fa di ottimi per pochi euro (meno di 1,2 o 3 euro dipende dal modello. Esempio: SIL05-1C90-51D). Io li uso da sempre con ottimi risultati per risolvere problemi come il tuo senza ricorrere ad arzigogoli strani.
I Meder che uso io sono SIL o DIL e occupano lo spazio di un IC PDIP 14 pin (o meta' di esso se SIL). Alimentazione a partire da +5V, con o senza diodo in antiparallelo alla bobina di eccitazione, e con resistenza di contatto dell'ordine delle decine di millohm. Capacita' tra i contatti 0.4 pF, tra bobina e contatto 2/3 pF. Li ho usati anche per riparare un plugin Tek che ne usava uno per commutare 1 GHz. L'originale era ovviamente introvabile. Messo un reed Meder al suo posto, funziona alla grande.
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[5] Re: Evitare la saturazione su un TIA

Messaggioda Foto UtenteBrunoValente » 21 ago 2022, 17:23

boiler ha scritto:... in condizioni normali drain e source del del JFET sono a 500 mV rispetto a GND. Enable è a 5 V e quindi ha un potenziale maggiore del drain. Se capisco bene il funzionamento del JFET, in queste condizioni non conduce per niente, leackage < 0.1 pA.
Quando l'opamp è spento, il drain resta a 500 mV, il gate scende a 0 V, il JFET comincia a condurre e evita che si formi un potenziale negativo sul suo source.


Non mi pare che il JFET a canale N si comporti come hai descritto: la massima conduzione tra drain e source si ha con gate e source allo stesso potenziale e si riduce via via che la tensione del gate diviene negativa rispetto a quella del source fino ad un certo valore oltre il quale la conduzione tra drain e source diventa nulla.

Se il gate diventa positivo rispetto al source inizia a scorrere corrente tra gate e source perché tra gate e source c'è un diodo con l'anodo sul gate e il catodo sul source, quindi non è possibile portare la tensione del gate oltre +0.6V rispetto a quella del source.
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[6] Re: Evitare la saturazione su un TIA

Messaggioda Foto Utenteboiler » 22 ago 2022, 12:20

Grazie a tutti per le risposte!

@ Foto Utenteelfo: sono impressionato dalla creatività della soluzione iOi
Apprezzo molto anche l'impegno che ci metti nel redarre le risposte! Grazie!
Ho provato a implementare la tua soluzione: funziona perfettamente, ma la capacità parassita introdotta dal LED mi limita la banda ad un livello inaccettabile :cry:

@ Foto Utentebanjoman: ho messo il segnale enable per l'op-amp accesso fisso. La saturazione avviene comunque perché la quantità di luce sul fotodiodo è tale da causare una corrente che su 2.2M supererebbe la tensione di alimentazione dell'op-amp stesso.
Non credo che un'alimentazione duale risolverebbe il problema, dovrei piuttosto alzare la tensione di alimentazione. Sbaglio?

@ Foto UtenteBrunoValente: devo documentarmi sul funzionamento di un JFET #-o

Saluti, Boiler
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[7] Re: Evitare la saturazione su un TIA

Messaggioda Foto UtenteGioArca67 » 22 ago 2022, 13:43

Forse potrebbe aiutare sapere se ti serve linearità su tutta l'escursione o se puoi saturare, purché uscire dalla saturazione sia veloce.
Non puoi spegnere l'opamp prima che saturi?
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[8] Re: Evitare la saturazione su un TIA

Messaggioda Foto Utenteboiler » 22 ago 2022, 13:57

No, non mi serve linearità su tutta l'escursione.
Anche spegnendo l'opamp non eviterei che si generi una tensione negativa al suo ingresso.

Devo "spegnere" il fotodiodo.

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[9] Re: Evitare la saturazione su un TIA

Messaggioda Foto UtenteGioArca67 » 22 ago 2022, 14:32

Ma se usassi uno schema tipo quello di principio di un LMP8646?
Dopo il fotodiodo una resistenza di sense in modo da sottrarre una certa corrente tramite un fet pilotato dall'opamp con l'ingresso collegato alla Rsense al superamento di una soglia desiderata?
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[10] Re: Evitare la saturazione su un TIA

Messaggioda Foto Utentebanjoman » 22 ago 2022, 15:42

Alzare la trnsione di alimentazione non credo ti aiuti piu' di tanto, dato che quell'opamp ha una V max di 5.5 V.
Ma usare un piccolo reed ti fa schifo? :mrgreen:
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