您好、TI 社区、
现在、我正在使用近红外线中的吸收线进行二氧化碳测量系统的相关工作。 它以 VCSEL 激光作为源、在2µm μ s 波长区域内工作。 该信号由来自 Hamamatsu 的 InGaAs 光电二极管(G12183-205K)检测。 我的电路如图 1。
作为信号、频率为10Hz 的锯齿被发送到 VCSEL。 激光二极管和光电二极管之间的距离约为15cm。 稍后、将增加距离、并添加准直器透镜以聚焦激光束。
图 1 TIA 电路
对于第一个测试、光电二极管可以检测到锯齿、其噪声为50Hz (约为70mV)、可能为市电噪声。 因此、我的第一个假设是问题是接地问题。 在测试过程中、由于光电二极管的反馈电流、我似乎损坏了光电二极管。 数据表显示、光电二极管很容易受到 ESD 的影响、但从显微镜下的键合线来看、情况似乎不是这样。
我的问题是：
1.是否有办法保护光电二极管免受这种噪声的影响？ 它似乎不会影响放大器、因为将放大器用作电压缓冲器未显示任何此噪声的迹象。
2.光电二极管只能承受1V 的反向偏置。 因此、我的第一个想法是使用一个额外的保护二极管。 但我认为保护二极管的结容量可能会引起更多问题并使测量结果失真。Martin
2018年6月27日更新
在 Hamamatsu 的技术支持下、我接到了一个关于反并联 BAV99二极管的电话。 我n`t 反向并联 BAV99是否会导致一些问题并限制光电二极管的工作区域。 n`t、它们无法为我提供 InGaAs 光电二极管的特性曲线、因此我建议 使用 TPD4E1U06作为替代方案。 BAV99 和 TPD4E1U06n`t 都是一个问题、我应该尝试这两者。
尊敬的 Martin：
OPA727必须靠近检测器放置。 不应使用电缆。 将探测器外壳连接到信号接地、并屏蔽整个电路、同时屏蔽也连接到信号接地。 将电路安装到激光装置上、使信号接地和电路外壳与保护接地(接地、土壤)隔离。
您可以使用 BAV99并为检测器引入反并联保护二极管。 R2提供电流限制。 这应该是足够的保护。
Kai
尊敬的 Kai：
非常感谢您的快速回复。 我的测试设置如图 1A。
因此、如果我理解正确、您建议将我的"测试放大器板"移至我的"连接器板"、如图中的蓝色箭头所示。 1A 表示。 连接器板可将光电二极管的引脚安全地导出到 PCB 板、以避免引脚直接焊接。
下一步是使用图中的橙色圆圈连接所有部件。 1A 至信号接地、包括光电二极管的外壳。 如果以后包括整个系统的外壳、我应该确保它被隔离以保护接地 ESD 桌垫？
图 1A：用于 CO2测量的粗略设置。
如果我将放大器添加到连接器板中、我将设计新的 PCB 板、如本应用手册： TI 应用手册、光电二极管放大器参考设计第13页所示。 由于存在额外的寄生电容、本应用手册建议移除放大器引脚周围的接地。 我希望这是对的吗？
我认为将 BAV99用作保护二极管是个好主意、非常感谢。 可能会使测量结果失真的规格非常低。 但现在、我无法测试它、因为我必须等待大约4周才能使用新的光电二极管。 此外、我还想根据准直器透镜的工作效果来增大 R2反馈电阻器值。
此致、
Martin
大家好、TI 社区、
最后、我的光电二极管到达(比预期的要早一些)、我认为将测试 PCB 与 OPA725焊接到 条纹 PCB 上是一个明智的主意。 嗯、不是。 光电二极管看起来仍然完好无损-使用万用表进行测量。 它仍然可以感应烙铁的红外线。 阳极和阴极之间的电阻值看起来不错。 但在此过程中 、OPA725 损坏了。 我的设置如图所示。 1b。
图 1b 设置原理图
我所做的：
此致、
Martin
尊敬的 Kai：
感谢您提供脱焊的简短说明。 但是、您是否要预热烹饪板 PCB、然后在您开始使用热空气站时将其关闭、或者该烹饪板是否一直处于活动状态？ 下一次、如果我有一些需要描述的东西、我会记住您的指令。
此外、我似乎从未添加光电二极管用作散热器的外壳图片(请参阅图 1)。
图 具有 PCB 连接器板的1C 光电二极管。 图 1不要显示当前正在使用的 PCB。
PCB 的电路与图 2.鹰上的“最差”功能仍需应用，但不是为了清晰起见。 PD_CON 最右侧的第4个引脚为阳极(顶部)和阴极(左侧)
图 PCB 连接器板的2C 电路。 PD_CON 位于 PCB 的正面(红色)。 PCB 背面的其余组件(蓝色)。 左上角的连接器是 TEC 输出、中间的连接器是放大器的电源电压、右侧是输出信号。
图 3c PCB 连接器板和 OPA2727的使用原理图
关于放大器的焊接工艺：
对于 PCB 的外壳、我打算购买一个小型外壳并在我们的工作站进行处理、例如为光电二极管制作通孔和开口。 我认为这是最便宜的方式、也比自己折叠一张金属板更好。
此致、
Martin
2018年7月25日更新
尊敬的 Kai：
对于温度控制、我使用图 使用分压器(包含压敏电阻、电阻和 并联电压基准)设置的温度(LM4041)。 设定电压被限制为最大值 1.2V、正如 Hamamatsu 的数据表 为其 TEC 建议的那样。 可以使用 波长计算器来计算或配置电流限制。
图 1D WTC3243温度控制器[数据表]。
这些引脚标记如下：引脚1：探测器阳极、引脚2：探测器阴极、引脚3：TEC-、引脚4：TEC+、引脚5：Therm-、引脚6：Therm+。 接地端通过引脚5接地线进行连接。 此外、我使用 L200 (数据表中的图19)并为其提供9V 电压、我还将此电压用于放大器、从而为 VDD 获得5V 电压。
我不确定如何将散热器与保护接地隔离。 现在、我在互联网上查找一些信息、了解它通常是如何实现的。
非常感谢 Kai 为我们提供的所有信息。 我不会考虑在这种程度上进行设计。 祝你度过美好的一天！
此致、
Martin
尊敬的 Martin：
我会这样做：
Kai
尊敬的 Kai：
非常感谢您的回复和建议。 我按照您的建议、缩小阳极/阴极和放大器之间的距离(请参阅图 1E)。 此外、我更改了 TEC 输出的导线引脚。 它现在似乎组织得更好。
图 1E Eagle 文件版本2。 OPA2727直接移至阴极和阳极(蓝色接地以及阴极)旁边。
我要讨论的下一个问题是您在第2点中提到的光电二极管和 PD_CON 之间的距离。 如图2e 所示、光电二极管的引脚有导轨。 然后、这些引脚直接连接到 PD_CON。 从光电二极管到 PD_CON 的线长为 ca。 10mm。 我不确定这是否已经太多了。
图 2E 引脚导线指南。
如果我理解正确、您的意思是"焦土"是指所有地聚集的"点"。 我的想法是使用光电二极管的外壳作为"焦土"。 外壳直接与散热器接触、并几乎连接到 PCB。 如钻头所示、PCB 与光电二极管直接接触。
图 3E TEC 板、连接器板和激光驱动器板。
图3E 显示了我使用的三个较大的电路板。 粉色圆圈内的所有内容都是来自您的想法、我也包括了这些想法。 电路板按相应颜色的线条进行划分。 关于这两个电压源的最初想法是为放大器使用12V 电压、并为电路板上的 WTC3243调节至5V 电压。 但我认为额外的稳压器没有影响。 还是要考虑使用哪一个。 我认为末尾的最后一个矩形应该是一个端接电阻器？ 然后应将其调整为 BNC 电缆。
最后、我想提一下也在 TEC 板上的读取模块。 读取模块是 Arduino Nano、可从激光驱动器板和 WTC3243获取信息。 这些导线连接到多路复用器、然后发送到 Arduino Nano。 它们与放大器 A LabVIEW 接口中的数据一起处理。
所有电路板均由同一电源电压连接器条供电。 我希望我能正确理解所有内容。 非常感谢您对我的电路进行了详细分析。 祝你度过一个美好的夜晚。
此致、
Martin
尊敬的 Kai：
感谢你的答复，很抱歉我的答复很晚。 首先、我想与 Hamamatsu 联系、询问他们对在 PCB 上焊接光电二极管的建议是什么、但到目前为止没有取得很大的成功。 它们可能具有特殊的焊料条件和光电二极管指南。
我知道 OPA727的输出摆幅 会阻止真正的0V 输出、正如 Tim 所提到的。 但对于测试板(带条纹的 PCB)、我想将电路限制为核心元件。
与使用双极电源+-12V/15V 不同 、LM7705是您已经建议的负电源。 为放大器的负引脚提供-0.23V 的电压应该足够(图1F)。 要为 LM7705供电、我需要一个3.3V-5V 电源。 为此、我将使用 L200、而不是用于该设置的 WTC3243电源的 L200、我将使用单独的 L200或 REF5050 (或更低的电压基准)。
为了为 LM7705供电、我将使用 LM340L 、该器件仅需要两个电容器即可将12V 电压调节至5V。
图 1F TIA 电路版本2。
此外、我还在考虑使用通用肖特基二极管 1N5817 (或类似二极管)来钳制过压、因为1V 反向电压是光电二极管的最大额定值。 瞬态仿真如图所示。 2F。 但是、我所了解到的更好的选择是使用合适的 PMOSFET、因为肖特基具有更高的功耗、高反向泄漏电流以及增加正向偏置压降也没有用处。
图 使用肖特基二极管作为钳位的2F 瞬态仿真。
对于来自 WTC3243的接地线、我要将其与来自光电二极管的 TEC 电缆一起拧在一起。 读取模块或多或少是可选的。 为了实现完整性、我想将其包含在我的 sketch 中。 此外、我未能从读取模块将接地线拉至星形地、对此感到抱歉。 读取模块的主要任务是偶尔监控激光二极管驱动器的温度以及 WTC3243输出的温度、因此它不会一直处于活动状态。 但是的、它肯定会影响地面。
我与我的主管讨论了光电二极管焊接的问题。 她认为最好将其焊接在"最终电路板"上、而不是测试板上。 此外、我想先与 Hamamatsu 取得联系、然后再做些错误。 原因是光电二极管需要在芯片正下方安装散热器、因为放置了 TEC 和热敏电阻。 在我得到回复之前、仍有多少距离 PCB 和热导率要求尚待解决。
我问我的主管和我所在小组中的另一位主管、他们是否知道哪些人精通 PCB 设计或接地、哪些人可以对我的实验进行调查。 也许我会找到一些人、但现在我没有人可以帮助我并查看我的设计。
此致、
Martin
大家好、作为简短的更新、
我得到了有关旧光电二极管的答案。 光电二极管由于 ESD 损坏而损坏、从而损坏半导体内部的电桥。 我必须检查哪些和哪些 ESD 保护设备不能正常工作、并且可能会更改实验的位置。
此外、我还得到了有关散热器的回复。 我会将光电二极管直接焊接在 PCB 上、中间有一个薄的"板"。 该板厚度为1.5mm、有助于固定光电二极管。 为了保证光电二极管和散热器之间的良好热传导、我要添加一点热化合物膏。 设置如图 1G。
图 1G 散热器+ PCB
底部的钻孔有助于将散热器固定在外壳内。 我还对"焦土"有疑问。 机柜是否不适合此任务？
据我所知、"焦土"是所有其他地面聚集在一起的一个点。 必须在空间上对不同的电路进行分频、以防止噪声相互关联。 但接地端必须在某个点连接才能具有相同的零电位。 通过正确使用铁氧体磁珠和正确的电容器可以过滤/限制噪声。
但这意味着我必须为激光二极管驱动器、Arduino Nano 使用单独的接地端、并为 WTC3243使用 GND。 但是、如果"星形"接地是外壳、则不可能只有一个"thar"、除非这三个组件位于外壳顶部。 我是不是按照我的思维方式走正确的方向、还是我完全错了？
此致、
Martin
尊敬的 Kai：
感谢你的答复。 按照您的建议、我认为最好的设置是图 1小时
图 光电二极管外壳的1h 布置。
为了将散热器与外壳隔离、我添加了一个非导电部件、如图 1小时 箭头显示了各个元件的连接方式。
图 光电二极管外壳的2h 布置(3D)。
散热器和 PCB 之间的连接是使用 PCB 正面的焊盘实现的、如图所示。 2小时 是否有更好的方法、或者我是否应该考虑焊接导线连接？ 此外，这是我要放置星型地面的地方。
图 3h TIA PCB。
接地之间的导线连接。 我是否需要特殊的导线、或者是否可以使用带涂层的普通导线、如图所示直接焊接在 PCB 上。 3小时？ 或者是否有特殊的电缆？ 此外、正如您所说的、外壳盒背面的风扇将非常方便。 但我稍后仍可以添加它。 所有需要电源的组件都连接到同一电源。
此致、
Martin
尊敬的 Martin：
现在看起来好多了！ :-)
但仍有一些要点需要更改：
将 OPA2727放置在非常靠近光电二极管的位置非常好。 将散热器与安装板直接连接到接地层也非常好。 但您应将地面星点和端子 PAD4、PAD5和 PAD6向上移动。 所有连接器均应位于印刷电路板的顶部边缘。 这样、就不会有干扰电流或 ESD 电流流经 TIA 的电路、但仅在连接器之间。 还应将金属外壳(覆盖整个 PCB)连接到印刷电路板顶部边缘的实心接地层。
我会增加金属外壳的尺寸、使光电二极管的散热器与每个外壳壁相隔几厘米、从而最大限度地减小散热器与金属外壳之间的杂散电容。 还应减小金属外壳中测量灯进入外壳的孔的尺寸。 否则、来自外部世界的电场线将在散热器而不是金属外壳上结束、并且屏蔽将变得无用。 还应将金属网孔放置在孔上、并将其以电气方式粘结到金属外壳上。 这将大大改善屏蔽。
如果您打算使用冷却风扇、请将其安装在与光电二极管的一定距离内。 机柜不需要完全关闭。 如果通风孔不是太大、可能会侵蚀屏蔽层。
Kai
尊敬的 Kai：
非常感谢您的参与。 正如您所建议的、我将星形地移到了顶部、如图 1i 和图 2I (红色矩形)。 蓝色圆圈内的焊盘应能实现良好的连接、而不是钻孔中的旧焊盘。
图 1I PCB 顶层。
此外、我还想将放大器移动到顶部、因为现在放大器位于光电二极管 TEC 的正下方(参见图 2i 黄色箭头)。 相反、我想添加一个钻头来为散热器提供一个通过 PCB 的开口、以改善循环。 现在、散热器的热量直接传输到 PCB 上。 借助数据表进行的粗略计算表明、TEC 的废热约为250mW (热敏电阻为+0.2mW)。 因此、我不确定是否确实需要冷却风扇。
图 2I PCB 底层。
此外、我想进一步固定 PCB、我将在 PCB 和盒子的顶盖上添加三个钻头。 您的想法包括金属网似乎是一个很酷的想法。 但我不确定网是否吸收了已经相当微弱的部分激光强度。 现在、我将继续使用较小的盒子。
此致、
Martin
尊敬的 Kai：
我只想在对流有助于冷却的情况下移动放大器、这是一个很好的折衷方案、但如果需要风扇、则不用担心。
您正对'pad7'。 我对它有错误的想法、我将把它更改为与之前设置中相同的连接。
图 1J Kai 的设置。
希望我能像图中所示、准确地重新绘制您的最后一个帖子。 1日 我的主管担心电路板不够固定、因此机械应力会降低到光电二极管的引脚。 我想添加一个块、其中紫色矩形并将其固定在顶部、这对于系统来说是足够的固定装置。 至少在这个小刻度和尺寸中、刚度应该非常高。 我唯一遇到问题的是您的设置与我的参考资料不同、它是 Thorlabs 的 PDA10DT InGaAs 放大光电探测器、具有热电冷却器。 使用 PDA10DT 的光电探测器显然位于前方。 此外、我在光电二极管上看不到可见的金属网。 该光电探测器是我们在另一个测量设置中使用的光电探测器、其性能相当好。 另一个消息来源是、我问一位印度研究人员、他们的设置几乎相同、但使用 PDA10DT 检测器(相同的 VCSEL 和激光二极管驱动器)。 他既没有噪声也没有接地问题、只有这种测量中常见的 etalon。 金属网。 也许我的搜索词有误、但我发现合适金属网的唯一公司是二。 在 RS、Conrad、Voelkner 和 Mouser、我没有发现任何类似的东西。
图 2J 我的设置类似于 Thorlabs 设置。
图 2J 显示了设置、如果可以忽略您建议的差距、我将如何构建它。 但唯一的真正优势是、修复一切更容易、并且我没有大约2-3cm 的最小光学路径长度(如果我使用透镜测试信号、这可能是一个问题)。 总的来说、这并不是那么重要、因为最终、整个光学路径的长度应为30cm。 我认为可以随时添加金属网、以改善信号？
此致、
Martin
尊敬的 Martin：
如果您在金属外壳和 PCB 之间提供一个距离并使用金属网、则撞击金属外壳的 ESD 电流将在外壳外部运行、并且不会进入外壳。 ->光电二极管和 TIA 是安全的！
但是、如果您直接将散热器连接到金属外壳而不使用金属网、另一方面、撞击外壳的 ESD 电流将部分进入电路并穿过 PCB。 ->光电二极管和 TIA 再次有被销毁的危险！
因此、请将我的方案与 PCB 周围的金属外壳一起使用、而不要在散热器上触摸它。 请移除金属外壳正面的"塑料/非导电"层。 这毫无意义。
您还可以安装风扇、使其从侧面而不是从背面通风。
Kai
您好！
第一个很抱歉、最后一个回答。 至於现状，我建了一个如凯建议的房屋(见图 1K)、 还有透明度约为80%的铜网。 此外、我可以说服我的监控器先使用850nm VCSEL 和 PIN 光电二极管进行测试。 我选择 的是 TT Electronics 的 OPV310和 Osram 的 BPX61。 我与 Thorlabs 联系、询问他们新的 VCSEL 是否与其激光二极管驱动器兼容。 我现在唯一的问题是、BPX61的阴极直接连接到光电二极管的外壳。 但 OPA727能够使用双极电源、因此我认为这不是问题。
图 用于 PCB 和光电二极管的1K 原型外壳。
VCSEL 和光电二极管的形状与昂贵的相似、此外、VCSEL 还使用低电流范围。 我打算用铝箔填充任何左侧开口、并将系统校准为接近850nm 的吸水管路。 我会随时向您通报最新消息。
此致、
Martin
