Koncem Bolševika (po roce 1985) nastala zvláštní situace, kdy na západě jelo VHS video a a ZX Spectrum a u nás vždycky před vánocemi vystoupil v televizních "Aktualitách" borec s mastnými vlasy a vysvětloval, že všechno bude až se vyřeší problémy se "součástkovou základnou" - jakože nikdo neumí vyrobit potřebné čipy. a taky probémy s "dodavatelsko odběratelskými vztahy" - jakože všechno v RVHP stejně sežerou Rusáci.
Pak kolem 2000 bylo období kdy v česku bylo všechno, v GM elektroniku jste si mohli koupit širší spektrum součástek než Steven Jobs (nebo jsem měl aspoň takový pocit). Nicméně už tehdy se objevovaly varovné známky - například můj oblíbený Harry Lythall žijící ve Švédsku úplně vážně doporučoval koupit laciné čínské rádio a nové jej rozebrat na součástky, které se jinak nedají za rozumnou cenu koupit.
Pak se GM elektronik (a si ním i jeho konkurence) přeorientoval na prodej varných konvic - a je vymalováno - cokoliv potřebujete už neseženete - v Ostravě například už půl roku není ani NE592 - zesilovač do 70 MHz. Nebo to seženete ale za ceny ze kterých se podlamují kolena - např. zesilovač LT1223 který bych moc potřeboval je +- za 300 a co když potřebuju 4 kusy ???
Poznámka pro Karla M., abych mu ušetřil psaní do diskuse - Karle - vím o TME, RS, FARNELLU, nebo dokonce DEALEXTREME a dalších zásilkových službách, ale nepoužívám je úmyslně, protože jim chybí - ta základní kvalita - když ráno při tlačení na záchodě chytneš ideu - odpoledne koupíš součástky - a večer už víš jestli to bylo dobré nebo blbost.
Takže jak jsem psal v přechozí kapitole o Trávoměru, dostal jsem se do situace, kdy jsem potřeboval postavit rádio superhet, které místo antény má fotodiodu.
Nejprve trochu teorie - fotodioda je zapjená v obvodu v nepropustném směru - tudíž má obrovský vnitřní odpor - kdysi byla tendence měřit na fotodiodách napětí pomocí elektroniky která má ještě větší vnitřní odpor.
Pak si někdo uvědomil, že fotodioda je vlastně zdroj proudu, a že proud se měří ampérmetrem, který má malinký vnitřní odpor. Protože i proud fotodiodu je malinký tak se měřil na tzv. snímacích rezistorech asi takto.
Pokud na fotodiodu bliká světlo - mění se proud fotodiodu třeba o 1 nA (nanoAmpér) a tím se napětí na svorce 1 mění o 10 uV (mikrovoltů). Problém je v tom, že fotodioda aby byla dosti citlivá musí mít dosti velkou plochu. Moje milovaná BPW34 má 7 mm čtverečních což je více než celý čip současných mizerných (14 MegaPixelových) digitálních foťáčků !! Taky výrobce ani neudává citlivost a jen v aplikační poznámce srovnává fotodiodu s foťákem tím že konstatuje, že odhadovaná citlivost je kolem 256 000 ASA. Dioda 7 mm2 velká má nezanedbatelnou kapacitu - asi jako kondenzátor na pravé část obrázku - a tudíž při vyšších frekvencích její vlastní kapacita odfiltruje signál do země. Např na pravé části je hraniční frekvence kolem 160 KHz - což nevadilo u Trávoměru který měl pracovat na 10 KHz ale už to bylo smrtelné pro Trávoměr na 1 MHz.
Proto se používají tzv. Transimpedanční zesilovače - které se ze strany fotodiody tváří jako ampérmetry s (téměř) nulovým vnitřním odporem a z druhé strany se tváří jako zdroje napětí taky s (téměř) nulovým vnitřním odporem. Díky nulovému vnitřnímu odporu na vstupu jde proud z fotodiody do země raději přes zesilovač než by se prodíral kapacitou diody (silně zjednodušuji). Díky (téměř) nulovému vnitřnímu odporu není vliv kapacity diody na frekvenci snímaného signálu tak drastický jako u snímání proudu prostým odporem.
Tedy vezměme schéma vlevo nahoře - když se proud fotodiododu zvětší - klesne nepatrně napětí na invertujícím vstupu operačního zesilovače a tím stoupne napětí na výstupu. Protože z definice operační zesilovač má nekonečný vstupní odpor - z invertujícího vstupu žádný proud neteče - tedy veškerý proud teče odporem 10K - operační zesilovač "cvičí" s napětím na jednom konci odporu aby poskytl fotodiodě jakýkoliv proud si žádá - tudíž napěťové změny na diodě jsou (téměř) nulové, což se diodě jeví jako nulový vnitřní odpor. Dovoluji si upozornit že transimpedanční "zesilovač" nemá žádné zesílení - tedy signál 1 nA se opět změní na napětí 10uV jako u verze jenom s odporem ....
Dostáváme se k neuvěřitelným věcem a k meritu článku - Všechny 4 zapojení jsou, pokud nemáme přiliš velké nároky, stejné. Všechny jsem vyzkoušel a proberu proč jsem skončil u neuvěřitelné poslední verze vpravo dole.
- Operační zesilovač - zde JFETový TL072 - je nejlepši "učebnicové" a klasické zapjení, které je vhodné asi tak do 100 KHz. Fotodiody mají především proudový šum proto je vhodné používat unipoládní (JFET, CMOS) součástky, které tím že mají nekonečný odpor hradla (žádný proud do nich neteče) nezvyšují šum fotodiody - jediným zdrojem šumu je pak fotodioda a transimpedanční odpor, který má být co největší
- Pokud potřebujeme snímat z fotodiody signál o vyšších frekvencích než nám umožňuje operační zesilovač je možno pořídit rychlejší zesilovač - TL 072má šířku pásma 3 MHz, nejrychlejší "běžně dostupný" zesilovač NE5534 má 10 MHz - což není o tolik více a navíc je bipolární a tudíž z hlediska šumu pro fotodiodu nevhodný (i když je inzerován jako extrémně nízkošumový). Když už jsme nuceni jít k bipolárnímu řešení je možno pouřít tranzistorový bipolární zesilovač (vpravo nahoře). Pokud použijeme opravdu rychlý tranzistor, třeba můj milovaný BF199 můžeme jít s frekvencí až na 10 MHz. Problémem tohoto zapojení je však šum (menší než z NE5534) a navíc toto zapojení má výstupní odpor 1K ohm (díky R3), které se přenáší na vstup který tedy nemá vstupní odpor 0 ale taky kolem 1K Ohmu - což je důvod proč nelze s frekvencí jít výše i když BF199 zvládá stovky MHz,
- Stále je ještě možno použít superrychlé operační zesilovače jako zmíněný LT1223 za 300kč, který díky tomu, že má proudový výstup zvládá frekvence až 100 MHz, ale dá se takové zapojení otisknout v Amatérském rádiu s poznámkou "milá děcka - poproste tatínka ať vám místo nového mobilu koupí pytlík LT1223 ?" (proto jsem si neobjednal LT1223 u Farnellu KARLE). Stále je možno udělat něco zvláštního a použít neočekávané součástky - takže jsem si přečetl tuto aplikační poznámku od Fairchildu. a začal jsem používat invertory 74HC04 jako vysokofrekvenční analogové zesilovače. Zapojení vlevo dole je vyzkoušené a spolehlivě funguje až do 50 MHz - navíc 74HC04 je CMOS - tedy odolný k proudovému šumu a navíc za 4 Kč koupíte pouzdro, kde je jich 6 - Tedy drahý Lineare strč si LT1223 do .......
- Schéma jednoho zesilovače ze pouzdra 74HC04 je na obrázku. Někteří výrobci jako třeba Phillips dávají dokonce tři takové dvojice tranzistorů za sebe aby změny na výstupu byly rychlejší - zesilovač postavený z tohoto hradla má šířku pásma kolem 100 MHz - což neznamená, že byste mohli používat 74HC04 pro digitální signály této frekvence (tam jsou potřeba ostré hrany a proto cesta pro digitální signál musí mít aspoň 5x větší šířku pásma než pro sinusovku stejné frekvence). Nakonec se mi zesilovač ze 74HC04 přece jenom nelíbil protože na mé pracovní frekvenci 10.7 MHz už přece jenom nemá takové zesílení - musí se z nich dělat kaskáda, která díky zpožděmím v zesilovači hrozí rozkmitáním atd. Takže jsem prozkoumal jak vypadají CMOS NAND a NOR Hradla (jsou skoro stejná)
- Všimněte si že Q3 a Q4 tvoří kaskódové zapojení - díky tomu má Q4 mnohem větší zesílení a lepší frekvenční charakteristiku než tranzistory v 74HC04 - takže jsem přešel na 74HC00 - který je za 5 Kč v pouzdře jenom 4 ale pořád lepší než LT1223. Díky vyššímu zesílení jsem dokonce mohl odpor transipmedančního rezistoru R5 zvýšit z 10K na 100K a tím se zase trochu vyhnout šumu. Navíc se signál přivádí na oba vstupy hradla což způsobí, že "sčítáním" proudu všech tranzistorů hradla je šum ještě menší.
- Teoreticky ještě lepší by bylo použít XOR hradlo - které je dvoustupňové a tím má ještě větší zesílení ale to už hrozí nestabilitou takového zesilovače, takže jsem to ještě nezkoušel.
Tedy co je potřeba abyste mohli použít CMOS logický obvod jako zesilovač ?
- Především to nesmí být sekvenční obvod - jakýkoliv klopný obvod nebo jakýkoliv který si pamatuje minulý stav.
- Nelze pužít obvody s hysterezí (schmidtovy klopné obvody alá 74HC14)
- Je nutno použít obvody invertující aby se přivedením napětí z výstupu zpátky na vstup obvod sám uvedl do lineárního stavu.
- Počátejte s tím že ač CMOS tak obvody v lineárním režimu dost žerou - klidně i 10mA na hradlo tedy 60 mA na celý obvod - a čím menší signál zpracovávají (méně kmitají) tím více žerou.
- pozor na přednos signálu mezi hradly (uvnitř čipu) - nikdo z výrobců s takovým použitím nepočítá takže operační zesilovače mají útlum mezi zesilovači klidně i 120dB - HC00 má kdoví kolik - podle mých zkušeností dosti málo takže od jisté frekvence už ani nepotřebujete vnější vazební konenzátory - bohužel ;-((
Tak děcka teď víte kam může zahnat konstruktéra sučasná nadvláda peněz nade vším - jelikož se už v česku přestaly prodávat ultrazvukové mikrofony a reproduktory do mých robotů - doufám, že kapitola Trávoměr 99 nebude o tom že na prahu mé penze se přestaly prodávat fotodiody a tak nahrazju BPW34 infračervenou LEDKou "vyštípanou" z televizního dálkového ovladače. (což je fyzikálně reálné)
Mějte se dobře - blondýny ať si nezapomenou naleštit jehlové kozačky (což je jediná obuv mnou doporučovaná do postele) a chlapi ať se těší na další pokračování....
vestec |
Tak my mimoOstravští!!! se bohužel musíme spokojit s výše zmíněnými eshopy. Naštěstí to řeším přes ostravské kolegy. Druhá možnost je mít doma potřebnou součástkovou základnu, nebo sbírku starých desek, ze kterých se to vypájí. Ale tolik krámů se mi zas do našeho malého bytečku nevejde.