Esperimenti a 478 THz / 627nm - 3° parte - IW3SGT
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09/2019 - nuovo prototipo del convertitore I>V: PDRX V2.0 Il progetto è nato dalla necessità di condurre dei test di confronto fra diversi fotodiodi (BPW34, SFH213, SFH213FA e VTP1188S) e con diversi interfacciamenti ottici (telescopio a fuoco diretto, telescopio a proiezione di oculare e varie lenti di Fresnel). L'estrema variabilità delle condizioni di test mi ha portato a scegliere una configurazione molto flessibile riguardo il guadagno totale. Ho puntato ad un doppio stadio con in tutto  nove possibilità di guadagno. Il circuito è molto semplice, il primo stadio è un convertitore corrente tensione mentre il secondo stadio è un semplice amplificatore, ogni stadio ha tre possibilità di scelta del guadagno. Ho disegnato un PCB (produttore: JLCPCB) per avere una buona riproducibilità e dunque confronti più affidabili.
Schema del PDRX (click sull'immagine per ingrandire).
Progetto del PCB (doppia faccia) e vista 3D
PCB pronti per il montaggio
PCB montati (da SX con BPW34, SFH213 e VTP1188S)
PCB pronti per i test
10/2020 - primi test "indoor" Vista l'impossibilità di condurre test all'esterno (vedi lockdown) ho dovuto ripiegare con un setup casalingo usando una fixture stampata in 3D che simuli un illuminazione molto simile a quella che si verifica al fuoco diretto di un telescopio. Inizialmente avevo scelto di procedere con un analizzatore di spettro ma la bassa impedenza di entrata dello strumento influenzava molto le misure sulle frequenze più alte. Alla fine ho deciso per un oscilloscopio con una terminazione a 1000 Ohm e la rappresentazione dei risultati in dBV. Tutti i dispositivi sono configurati per il massimo guadagno al primo stadio (R1 4,7M Ohm) e minimo al secondo stadio (R7 1k Ohm). I LED CREE C503B e VISHAY TSHF5410 sono stati alimentati con correnti molto basse per evitare la saturazione dei dispositivi in test.
Sessione preliminare di test per vedere in modo approssimativo la larghezza di banda, il LED è modulato con impulsi molto stretti.
Fixture di test con due diaframmi di 4mm, l'obbiettivo è quello di illuminare i fotodiodi solo frontalmente come al fuoco diretto di un telescopio. Ad esempio un economico rifrattore acromatico F10 illumina il fotodiodo con un angolo di circa 12°. Data la totale schermatura alla luce questo setup è stato usato anche per la misura della risposta in frequenza.
Modulatore OOK con 2N2222 per i LED: CREE rosso 624nm alta intensità (C503B-RAN-CA0B0AA1, montato), KINGBRIGHT rosso 627nm alta efficienza (L7113ID) e VISHAY IR 860nm (TSHF5410)
Le misure effettuate con il setup completamente schermato mettono in evidenza  la maggior sensibilità del VTP1188S e una banda passante a -3dB, comune a tutti, che inizia a meno di 3kHz e supera i 25kHz. Il fotodiodo SFH213 è mediamente 5dB meno sensibile del VTP1188S mentre il BPW34 perde mediamente a 12dB sul VTP1188S. Le differenze si assottigliano nell'infrarosso a 890nm dove il SFH213 perde 4dB e il BPW34 perde 9dB. La versione del SFH213 con il filtro IR a 890nm perde solo 2dB sul VTP1188S. Note: sotto i -55dBV le misure sono influenzate dal rumore di fondo, con intensità di luce molto alte il fotodiodo VTP1188S smette di funzionare, fenomeno non osservato sui BPW34 e SFH213 (seguiranno altri test di verifica).
Risposte al verde (535nm), al rosso (620/630nm) e all'infrarosso (890nm). Con il rosso e l'infrarosso le risposte sono molto simili (tra il 60 e il 70% del massimo) tra i tre fotodiodi, sul verde il VTP1188S va leggermente meglio.  Le sensibilità spettrali dal datasheet sono: 0.55A/W (925nm) per il VTP1188S, 0,65 A/W (870nm) per il SFH213 e 0.62 A/W (850nm) per il BPW34.
11/2020 - considerazioni sulla banda passante Verso il basso la banda passante è influenzata dai due condensatori C2 e C4, del carico tra gli stadi (R4) e quello verso l'esterno. Per aumentare la risposta in bassa frequenza basterà aumentare il valore di C1 e C4. Il grafico riporta la risposta con i valori di 100nF e 1uF. Il limite superiore della banda passante è influenzato da più componenti, oltre dalle caratteristiche degli amplificatori operazionali il taglio viene influenzato dai componenti di retroazione: R1, R2, R3, R5, R6, R7, C1 e C3. In linea di massima con guadagni minori si ottengono maggiori larghezze di banda, per quanto riguarda i condensatori si potrebbero anche omettere ma si corre il rischio di incorrere in auto oscillazioni o effetti di ringing sui fronti più verticali (vedi note).
note: - rimuovendo C1 con U1=LF357N e R3=1MOhm si ottengono i seguenti ringing: 440kHz con SFH213, 216kHz con BPW34 e 140kHz con VTP1188S (pochi mVpp); - rimuovendo C3 con U2=LF357N e R7 (1kOhm, gain=1) il secondo stadio oscilla tra i 2 e i 3MHz (~2Vpp), cambiando R7 con con R6 (10kOhm, gain 10) nessuna oscillazione, sostituendo U2 con un TL081 non si osservano oscillazioni. - con C1=3,3pF, R3=1MOhm, U1=UA741 e D1=BPW34 su alcuni prototipi si è vista un autoscillazione ~30kHz (~30mVpp).
11/2020 - misure di rumore Le misure di confronto con i fotodiodi sono state fatte con la seguente configurazione: R3=1MOhm, R6=10kOhm, C1=10pF e C3=10pF. Come già osservato il VTP1188S restituisce più segnale (+5dB su SFH213) ma anche più rumore. Il confronto con OPMP diversi (U1=U2) cono stati fatti con la seguente configurazione: D1=BPW34, R3=1MOhm, R6=10kOhm, C1=3,3pF e C3 non montato. Il LF357N si riconferma la migliore scelta per questo tipo di applicazione (vedi test nel 2016).
Scheda audio usata nel test e settings per Spectran.
Data Sheet e link utili
Pagine radioamatoriali, documenti e video IK1WVQ Mauro Dai GHz ai THz K3PGP Experimenter's.Corner KA7OEI Optical (through-the-air) communications VK7MJ MODULATED LIGHT DX Laser and optical communications (gruppo facebooK) AD7OI Adventures at 300-750THz (400-1000nm) - pdf document DL6NAA - DKMN - pdf document DH5YM 48km QSO - video One way 635nm FM subcarrier modulated laser QSO S51VA - S57RW @ 10,4km - youtube video Data sheet componenti Amplificatore operazionale TEXAS LFx5x Amplificatore operazionale TEXAS TL081 Amplificatore operazionale TEXAS OP07 Fotodiodo OSRAM BPW34 Fotodiodo OSRAM SFH213/SFH213FA Fotodiodo PERKINELMER VTP1188S - Catalogo completo e app. note PERKINELMER LED rosso 624nm alta luminosità CREE C503B LED rosso 627nm alta efficienza KINGBRIGHT L7113ID LED IR 890nm VISHAY TSHF5410 LED IR 850nm OSRAM SFH4550 LED IR 940nm OSRAM SFH4544 MOSFET VISHAY IRF510 MOSFET driver MICROCHIP TC142x Regolatore MOTOROLA 78xx Transistor FAIRCHILD 2N3904 Transistor PHILIPS 2N2222A Transistor STM 2N3019   Telescopi e binocoli BRESSER CELESTRON OMEGON SKY-WATCHER   Laser Compact red Dot laser su supporto picatinny  IRON JIA'S su Amazon Software Spectran Altro IW3SGT PIC board v4 Mikrobasic PRO for PIC EasyPIC v7 Tevo Tornado 3D printer Scheda Audio su USB UGREEN 30724 anche su Amazon
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