چالشهای طراحی زنجیره سیگنال فتودیود


این مطلب ترجمه مقاله فنی Analog Devices هست با عنوان اصلی Optimizing Precision Photodiode Sensor Circuit Design که توسط کاراکیت برای شما آماده شده. در این مقاله چالشهای مربوط به طراحی مدارهای مبتنی بر اندازه گیری میزان نور به وسیله فتودیودها بررسی شده و به لحاظ فنی خیلی با ارزشه. به این امید که مفید باشه.

بهینه سازی طراحی مدار سنسور فتودیود دقیق

فتودیود ها جریانی متناسب با نوری که به محل فعال آنها برخور می کند تولید می کنند. بیشتر پروژه های اندازه گیری شامل یک مدار تقویت کننده transimpedance هستند که جریان فتودیود را به ولتاژ خروجی تبدیل می کند. یک نمونه از این تقویت کننده در زیر دیده می شود.

transimpedance

این مدار فتودیود را در حالت فتوولتاییک به کار می گیرد در حالی که آپ امپ ولتاژ فتودیود را روی مقدار 0 نگه می دارد. این متداول ترین پیکره بندی برای کاربردهای دقیق است. نمودار ولتاژ به جریان فتودیود بسیار شبیه یک دیود معمولی است با این تفاوت که کل نمودار بسته به میزان نور به بالا یا پایین شیفت پیدا می کند. شکل 2 الف تابع تبدیل یک فتودیود نوعی را نشان می دهد. شکل 2 ب بزرگ شده قسمتی از همان تابع تبدیل است و نشان می دهد که فتودیود حتی بدون هیچ نوری ، چگونه یک خروجی کوچک تولید می کند. این جریان تاریک با افزایش ولتاژ معکوس فتودیود زیاد می شود. بیشتر تولیدکنندگان جریان تاریک را در ولتاژ معکوس 10mV ذکر می کنند.

photodiode curve

وقتی که نور به ناحیه فعال فتودیود برخورد کند جریان از کاتد به آند برقرار می شود. در حالت ایده آل همه جریان فتودیود از مقاومت فیدبک شکل 1 می گذرد و ولتاژ خروجی برابر با ضرب جریان فتودیود در مقاومت فیدبک در خروجی ایجاد می نماید. هر چند این مدار ساده به نظر می رسد اما چند چالش وجود دارد که برای دستیابی به بهترین کارایی در سیستمتان برآنها فایق آیید.

DC ملاحظات

اولین چالش انتخاب یک آپ امپ است که مشخصات DC آن با نیازهای کار شما همخوانی داشته باشد. دقیق ترین کاربردها ولتاژ افست ورودی پایین را در بالای فهرست قرار می دهند. ولتاژ افست ورودی در خروجی تقویت کننده ظاهر می شود و در خطای کل سیستم وارد می شود، اما در تقویت کننده فتودیود خطای بیشتری تولید می کند. ولتاژ افست ورودی دوسر فتودیود ظاهر می شود و جریان تاریک را افزایش می دهد که این خود موجب زیاد شدن خطای سیستم می شود. شما می توانید افست DC اولیه را با کوپلینگ AC یا کالیبراسیون نرم افزاری یا هردو حذف کرد، اما داشتن خطای افست زیاد محدوده دینامیک سیستم را کاهش می دهد. خوشبختانه اناخابهای زیادی برای آپ امپ با افست ورودی چند صد و یا چند ده میکروولتی وجود دارد.

ویژگی DC مهم بعدی جریان نشتی ورودی است. هر جریانی که وارد آپ امپ یا هرجایی غیر از مقاومت فیدبک می شود خطای اندازه گیر ایجاد می نماید. هیچ آپ امپی با جریان بایاس صفر وجود ندارد اما بعضی آپ امپ ها با ورودی CMOS و JFET جریان بایاس نزدیک به صفر دارند. مانند AD8615 و AD549. جریان بایاس ورودی تقویت کننده های با ورودی FET با افزایش دما به صورت نمایی زیاد می شود. ویژگی بسیاری از آپ امپ ها در دمای 85 درجه یا 125 درجه سانتی گراد ذکر شده است. اما برای آنهایی که اطلاعاتشان ذکر نشده یک تقریب خوب این است که جریان با افزایش هر 10 درجه سانتی گراد، دو برابر می شود.

یک چالش دیگر طراحی مدار و طرحی است که مسیرهای نشتی خارجی را که می توانند عملکرد آپ امپ با جریان بایاس ورودی پایین شما را خراب کنند، به حداقل برساند. متداول ترین مسیر نشتی خارجی از درون خود برد چاپی است. برای مثال شکل 3 یک پیکره بندی ممکن برا تقویت کننده فتودیود شکل 1 را نشان می دهد. مسیر صورتی خط +5V است که تقویت کننده را تغذیه می کند و به سایر قطعات برد می رود. اگر مقاومت بین این مسیر و مسیری که جریان فتودیود از آن می گذرد 5MΩ باشد ( در شکل 3 با RL نشان داده شده ) به اندازه 1nA جریان از خط +5V به تقویت کننده وارد می شود. این مساله قطعا هدف انتخاب آپ امپ با جریان ورودی 1pA را نابود می کند. یک راه برای کاهش این جریان نشتی افزایش مقاومت بین مسیر حامل جریان فتودیود و سایر مسیرهاست. این کار به سادگی با اضافه کردن فاصله بین مسیرها ( Routing keep-out ) امکان پذیر است. برای بعضی کاربردهای خیلی حساس، بعضی مهندسان مسیرها را حذف می کنند و فتودیود را مستقیما روی پایه های ورودی آپ امپ لحیم می نمایند.

photodiode pcb

یک راه دیگر کشیدن مسیر محافظ نزدیک به مسیر حامل جریان فتودیود است که که تضمین می دهد هر دو با ولتاژ یکسانی راه اندازی می شوند. شکل 4 یک مسیر محافظ را دور شبکه حامل جریان فتودیود نشان می دهد. در این مدار جریان نشتی به جای اینکه از مسیر +5V به تقویت کننده وارد شود، به مسیر گارد وارد می شود. در این مدار اختلاف ولتاژ بین مسیر محافظ و ورودی فقط نتیجه ولتاژ افست ورودی آپ امپ خواهد بود، که دلیل دیگری برای انتخاب یک تقویت کننده با ولتاژ افست پایین می باشد.

photodiode pcb guard

AC ملاحظات

هرچند اغلب کاربردهای دقیق فتودیود سرعت پایین هستند، اما هنوز لازم است که مطمئن شویم عملکرد AC سیستم برای این کاربرد کافی است. دو نگرانی عمده در اینجا پهنای باند سیگنال ( یا پهنای باند حلقه بسته ) و پهنای باند نویز است.

پهنای باند حلقه بسته به پهنای باند حلقه باز تقویت کننده، مقاومت بهره و ظرفیت خازنی ورودی کل بستگی دارد. ظرفیت خازنی فتودیود می تواند از چند پیکوفاراد برای فتودیودهای سریع، تا چندهزار پیکوفاراد برای فتودیود دقیق با مساحت خیلی زیاد تغییر کند. اضافه کردن خازن به ورودی آپ امپ باعث ناپایدار شدن آن می شود مگر اینکه با اضافه کردن خازن به مقاومت فیدبک جبران شود. خازن فیدبک پهنای باند سیستم حلقه بسته را محدود می کند. می توانید از معادله زیر برای محاسبه حداکثر پهنای باند ممکن سیستم حلقه بسته که به یک حاشیه فاز 45 درجه می انجامد استفاده کنید.

photodiode equation

که:
Fu: فرکانس بهره واحد تقویت کننده است.
Rf: مقاومت فیدبک است.
Cin: ظرفیت خازنی ورودی است که شامل ظرفیت خازنی فتودیود و سایر خازنهای مزاحم برد می شود.
CM: ظرفیت خازنی مد مشترک آپ امپ است.
CD: ظرفیت خازنی تفاضلی آپ امپ است.

برای مثال اگر شما کاربردی با ظرفیت خازنی فتودیود 15pF و بهره ترنس امپدانس 1MΩ داشته باشید ، معادله بالا پیش بینی می کند که شما به یک تقویت کننده با بهره 1 و پهنای باند 95MHz نیاز دارید تا به پهنای باند سیگنال 1MHz دست پیدا کنید. این محاسبات برای حاشیه فاز ˚45 است که باعث ایجاد قله در تغییرات پله ای در سیگنال می شود. شاید بخواهید قله ها را با طراحی برای حاشیه فاز ˚60 کاهش دهید، که یک تقویت کننده سریع تر لازم دارد. به همین دلیل قطعاتی مانند ADA4817-1 با حداکثر جریان بایاس ورودی 20pA و بهره واحد در فرکانس 400MHz برای کاربردهای فتودیود با بهره خیلی بالا ، حتی برای پهنای باند محدود مناسب هستند.

در بیشتر سیستمها ظرفیت خازنی فتودیود بر ظرفیت خازنی ورودی مدار غالب است، اما بعضی کاربردها به توجه بیشتری در انتخاب آپ امپ با ظرفیت خازنی ورودی پایین نیاز دارند. برای مثال شکل 5 پایه های ADA4817-1 را نشان می دهد که خروجی آپ امپ را به یک پایه کنار پایه ورودی وارونگر وصل می کند.

ADA4817

نویز سیستم نیز یکی چالشهای نوعی هنگام طراحی با فتودیود است. عوامل اصلی نویز خروجی نویز ولتاژ ورودی تقویت کننده و نویزجانسون (حرارتی) مقاومت فیدبک است. نویز مقاومت فیدبک بدون تقویت در خروجی ظاهر می شود. اگر مقاومت فیدبک را برای تقویت بیشتر زیاد کنید، افزایش نویز ناشی از مقاومت بهره تنها متناسب با جذر افزایش مقاومت زیاد خواهد شد. این در عمل بدین معنی است که بهتر است برای تقویت بیشتر، مقاومت بهره را تا حد ممکن زیاد کنیم به جای اینکه یک طبقه تقویت کننده اضافه کنیم، که نویز را به صورت خطی با بهره افزایش می دهد.

نویز خروجی تقویت کننده حاصل ضرب نویز ولتاژ ورودی در بهره نویز تقویت کننده است. بهره نویز نه تنها با مقاومت فیدبک، بلکه با خازنهای فیدبک و ورودی تعیین می شود، بنابراین در فرکانسهای مختلف ثابت نیست. شکل 6 یک نمودار نوعی بهره نویز تقویت کننده را بر حسب فرکانس به همراه برهم نهی بهره حلقه بسته به عنوان مرجع نمایش می دهد. دو چیزی که می توان از این نمودار به دست آورد این است که نویز خروجی در برخی فرکانسها افزایش می یابد و بازه فرکانسی که قله نویز می تواند پایینتر از فرکانس قطع پهنای باند حلقه بسته تقویت کننده باشد.

photodiode noise curve

از آنجا که نمی توان از این پهنای باند استفاده کرد برای کاهش نویز از یک فیلتر پایین گذر استفاده نمایید.

استفاده از بهره های قابل برنامه ریزی برای گسترش بازه دینامیک

از آنجا که نویز جانسون (حرارتی) با جذر مقاومت فیدبک زیاد می شود، قابل قبول است که به جای افزودن طبقات تقویت کننده هر چقدر می توانیم بهره تقویت کننده فتودیود را افزایش دهیم. شما می توانید با اضافه کردن بهره های قابل یرنامه ریزی طبق شکل 7 یک گام دیگر نیز به پیش بروید.

AGC1

کلید S1 مسیر فیدبک دلخواه را انتخاب می کند تا بتوان برای هر سیگنال بهره بهینه را برگزید. متاسفانه سوییچهای آنالوگ دارای مقاومت حالت وصل هستند که خطای بهره را به مدار ما تحمیل می کنند. این مقاومت وصل با ولتاژ اعمال شده و دما و سایر عوامل تغییر می کند و باید راهی برای خنثی کردن اثر آن در مدار پیدا نمود. شکل 8 نشان می دهد چگونه می توانید با استفاده از دو کلید خطای ناشی از مقاومت وصل در حلقه فیدبک را حذف کنید. هرچند مقاومت کلید S1 همچنان داخل حلقه قرار دارد، اما کلید S2 خروجی را مستقیما به مقاومت بهره متصل می نماید که باعث می شود هرگونه خطای ناشی از عبور جریان از مقاومت S1 حذف شود. یکی از نقاط ضعف این روش این است که مدار دیگر آن امپدانس خروجی خیلی پایین تقویت کننده را ندارد، چرا که شامل مقاومت وصل S2 است. این معمولا مشکل بزرگی نیست اگر مرحله بعد امپدانس ورودی بالایی داشته باشد، مانند یک ADC.

AGC2

استفاده از مدولاسیون و تشخیص همزمانی برای کاهش نویز

بسیاری از کاربردهای دقیق درگیر اندازه گیری یک نور با سطح DC می شوند که توسط یک نمونه جذب یا بازتاب می شود.

در حالیکه بعضی کاربردها جلوی همه نور محیط را می گیرند، بسیاری از سایر سیستمها به ویژه در محیطهای صنعتی، باید در برابر نور محیط کار کنند. در این وضعیت می توانید منبع نور را مدوله کنید و با استفاده از تشخیص هم زمانی سیگنالتان را از طیف فرکانس پایین که اختلال الکتریکی و اپتیکی در آن بیشتر است دور نمایید. ساده ترین راه مدولاسیون روشن و خاموش کردن سریع منبع نور است. بسته به منبع نور می توانید به صورت الکترونیکی آن را مدوله کنید یا مثل دستگاه های قدیمی از یک پروانه استفاده نمایید.

برای مثال اگر می خواهید جذب نور توسط یک ماده را برای تعیین غلظت آن اندازه گیری کنید، می توانید نور را با نرخ چند KHz برش بزنید. شکل 9 نشان می دهد که این کار چگونه باعث می شود اندازه گیری ها از اکثر آلودگی های نوری فرکانس پایین که معمولا در بیشتر محیط ها وجود دارند ، مانند تغییرات نور محیط در طول روز و لامپ های مهتابی 50 یا 60 هرتز فاصله بگیرد.

photodiode modulation

از آنجا که شما فرکانس مدولاسیون سیگنال را کنترل می کنید، می توانید از کلاک مشابه برای دمدوله کردن هم زمان نور دریافتی استفاده کنید. مدار شکل 10 یک دمدولاتور همزمان بسیار ساده است. ولتاژ خروجی تقویت کننده فتودیود کوپل AC شده و بعد از ایک تقویت کننده با بهره قابل برنامه ریزی 1 و -1 عبور می کند. کلید بهره زمان بندی شده است که دقیقا وقتی نور باید وصل باشد بهره +1 و وقتی نور باید قطع باشد -1 باشد. در حالت ایده آل خروجی یک ولتاژ DC خواهد بود که متناظر با دامنه پالسهای نوری است. فیلتر پایین گذر هر سیگنال دیگری را که با کلاک مدولاسیون همزمان نباشد حذف می کند. فرکانس قطع فیلتر پایین گذر برابر عرض فیلتر میان گذر حول فرکانس مدولاسیون است. برای مثال اگر فرکانس مدولاسیون 5KHz باشد و شما از یک فیلتر پایین گذر 10Hz استفاده کنید خروجی مدار سیگنالهای از 4.99KHz تا 5.01KHz را عبور خواهد داد. کاهش پهنای باند فیلتر پایین گذر حذف قوی تری را در ازای زمان نشست کند تر نتیجه می دهد.

شکل 9 یک ایراد دیگر را در صورت برش زدن نور نشان می دهد. شکل موج حاصل، در حوزه فرکانس یک خط تنها نیست ( که یک سینوسی نیاز داشت ) بلکه شامل یک خط در فرکانس برش و هامونیکهای فرد آن است. هر نویز موجود در هارمونیکهای فرد فرکانس برش با حداقل تضعیف در خروجی ظاهر خواهد شد. این مشکل را می توان به طور کامل با مدولاسیون سینوسی از بین برد که البته مدار پیچیده تر یا گران تری را می طلبد. راه حل دیگر انتخاب یک فرکانس اساسی خاص است که هارمونیکهای آن با هیچ منبع تداخل شناسایی شده ای یکی نباشد. همچنین می توان کارکرد مشابه شکل 10 را در نرم افزار پیاده سازی نمود. شما می توانید سیگنال نور برش خورده را همزمان با کلاک مدولاسیون نمونه برداری کنید و با استفاده از تکنیک های پردازش سیگنال دیجیتال اطلاعات دامنه را در فرکانس دلخواه استخراج نمایید.

photodiode sampling

karakit