Rückblick und Übersicht

• Input current: Offset, Bias
• Rauschen:
  Widerstand, Operationsverstärker
• Error Budget

Heute

• Colorimeter

Unit 3, Excercise U3.2

Colorimeter

• Untersuchung von der Absorption von Licht verschiedener Wellenlänge durch Flüssigkeiten (Gasen, Feststoffen)
• LEDs erzeugen rotes, grünes und blaues Licht
• Eine Photoddiode detektiert das Licht
• Das Signal wird verstärkt und digitalisiert (ADC)
• 2 Differenzmessungen
• Licht an versus Licht aus. (Dunkelstrom)
  Lock-In Verstärker
• Vergleich Referenzstoff und Untersuchungsmaterial
  Digitale Werte

Blockschaltbild Colorimeter

Dual-Channel Colorimeter with Programmable Gain Transimpedance Amplifiers and Synchronous Detectors (CN0312.pdf)
* OpAmp AD8615
Switch ADG633
Switch ADG733
* OpAmp AD8271
OpAmp AD8618


5 kHz LED Clock

Note that the feedback capacitor, CFx, is required for stability to compensate for the pole introduced by the total input capacitance (diode capacitance plus op amp input capacitance) and the feedback resistor, RFx. For details of this analysis, see Section 5 of Practical Design Techniques for Sensor Signal Conditioning.

The output voltage of the photodiode amplifier swings between 2.5 V and 5.0 V.
For the 33 kOhm range, this 2.5 V output span corresponds to a full-scale photodiode current of 75.8 µA.
For the 1 MOhm range, it corresponds to a full-scale photodiode current of 2.5 µA.

The next stage is a simple buffered ac-coupled filter. The cutoff frequency of the filter is set at 7.2 Hz.

2016

Application Note Analog Devices
CN0312 Dual-Channel Colorimeter with Programmable Gain Transimpedance Amplifiers and Synchronous Detectors
Video:
Video

2020 Nachfolgeprodukt

Analog Devices CN0363 Dual-Channel Colorimeter 24.3.2020
Video

Aufgabe

• Schaltungsanalyse: Blöcke, Formeln
• Übertragnungsfunktionen
• LED Strom

TIA Amplifier R1 = 1 MOhm, VDD = 5V, Vref = 2.5 V Uout(IPh) = - IPh · R1 + Vref $I_{Phmax} = - \frac{U_{out} - V_{ref}}{R_1} = - \frac{V_{DD} - V_{ref}}{R_1} = - \frac{2.5}{10M \Omega} = 2.5 \mu A$
Hochpass C = 0.22 µF, R = 10 kΩ $\frac{\underline{U_a}}{\underline{U_e}} = \frac{R}{\frac{1}{j \omega C} + R } = \frac{j \omega C R}{1 + j \omega C R }$ $f = \frac{1}{2 \pi C R } = 72.3 Hz$
AD8271 $V_x = \frac{V_2 - V_{ref}}{2} + V_{ref}$ $V_x = \frac{V_2}{2} + \frac{V_{ref}}{2}$ $\frac{V_1 - V_x }{R} = I_1 = \frac{V_x - V_{out} }{R}$ Vout = 2 Vx - V1 Vout = V2 + Vref - V1 Schalterstellung 1 (hoher Pegel Vin): Vout = Vin + Vref - Vref = Vin Schalterstellung 2 (niedriger Pegel Vin): Vout = Vvref + Vvref - Vin = 2 Vvref - Vin
Tiefpass C = 1 µF, R = 10 kΩ $\frac{\underline{U_a}}{\underline{U_e}} = \frac{\frac{1}{j \omega C}}{R + \frac{1}{j \omega C}} = \frac{1}{1 + j \omega C R }$ $f = \frac{1}{2 \pi C R } = 15.9 Hz$

Simulation

Version 4
SHEET 1 1372 844
WIRE 608 144 560 144
WIRE 880 144 720 144
WIRE 608 176 560 176
WIRE 816 176 720 176
WIRE 608 208 560 208
WIRE 752 208 720 208
WIRE 880 208 880 144
WIRE 944 208 880 208
WIRE 1040 208 1024 208
WIRE 560 224 560 208
WIRE 144 272 48 272
WIRE 240 272 208 272
WIRE 816 288 816 176
WIRE 816 288 480 288
WIRE 1040 304 1040 208
WIRE 1072 304 1040 304
WIRE 1168 304 1152 304
WIRE 48 320 48 272
WIRE 64 320 48 320
WIRE 240 320 240 272
WIRE 240 320 144 320
WIRE 576 384 576 368
WIRE 160 400 160 384
WIRE 480 400 480 288
WIRE 544 400 480 400
WIRE 48 416 48 320
WIRE 48 416 -160 416
WIRE 128 416 48 416
WIRE 816 416 816 288
WIRE 816 416 608 416
WIRE 832 416 816 416
WIRE 1104 416 1104 400
WIRE 240 432 240 320
WIRE 240 432 192 432
WIRE 272 432 240 432
WIRE 304 432 272 432
WIRE 464 432 448 432
WIRE 480 432 464 432
WIRE 544 432 480 432
WIRE 1040 432 1040 304
WIRE 1072 432 1040 432
WIRE 64 448 -112 448
WIRE 128 448 64 448
WIRE 464 448 464 432
WIRE 1168 448 1168 304
WIRE 1168 448 1136 448
WIRE 1200 448 1168 448
WIRE 1216 448 1200 448
WIRE 1328 448 1296 448
WIRE 576 464 576 448
WIRE 960 464 864 464
WIRE 1056 464 1040 464
WIRE 1072 464 1056 464
WIRE 64 480 64 448
WIRE 64 480 32 480
WIRE 160 480 160 464
WIRE 1104 496 1104 480
WIRE 1328 496 1328 448
WIRE -160 528 -160 416
WIRE 624 528 592 528
WIRE 864 528 864 464
WIRE 864 528 736 528
WIRE 64 560 64 544
WIRE 464 560 464 528
WIRE 464 560 432 560
WIRE 624 560 592 560
WIRE 768 560 736 560
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WIRE 1056 560 1056 464
WIRE 1056 560 1040 560
WIRE 624 592 592 592
WIRE 816 592 816 416
WIRE 816 592 736 592
WIRE 1328 592 1328 560
WIRE 592 608 592 592
WIRE 464 640 464 624
WIRE -160 672 -160 608
WIRE -112 672 -112 448
WIRE -112 672 -160 672
FLAG 160 384 VDD
FLAG 160 480 VSS
FLAG 272 432 Vo1
FLAG 32 480 Vref
FLAG 64 560 0
FLAG 432 560 Vref
FLAG 464 640 0
FLAG 576 464 VSS
FLAG 576 368 VDD
FLAG 480 432 Vo2
FLAG 832 416 Vo3
FLAG 1104 400 VDD
FLAG 1104 496 VSS
FLAG 928 560 Vref
FLAG 752 208 Vref
FLAG 1328 592 0
FLAG 1200 448 Vo4
FLAG 1328 448 Vo5
FLAG 768 560 Vref
FLAG 560 224 0
FLAG 560 176 VDD
FLAG 560 144 VX
FLAG 592 608 0
FLAG 592 560 VDD
FLAG 592 528 VX
SYMBOL res 160 304 R90
WINDOW 0 0 56 VBottom 2
WINDOW 3 32 56 VTop 2
SYMATTR InstName R2
SYMATTR Value 1Meg
SYMBOL AD8615 160 368 R0
SYMATTR InstName U1
SYMBOL cap 48 480 R0
SYMATTR InstName C1
SYMATTR Value 0.1�
SYMBOL cap 208 256 R90
WINDOW 0 0 32 VBottom 2
WINDOW 3 32 32 VTop 2
SYMATTR InstName C2
SYMATTR Value 4.7p
SYMBOL current -160 528 R0
WINDOW 123 25 107 Left 2
WINDOW 39 0 0 Left 2
SYMATTR Value2 AC 1
SYMATTR InstName I1
SYMATTR Value PULSE(0.05u 2.0u 0 5u 5u 95u 200u)
SYMBOL cap 448 416 R90
WINDOW 0 0 32 VBottom 2
WINDOW 3 32 32 VTop 2
SYMATTR InstName C3
SYMATTR Value 0.22�
SYMBOL res 448 432 R0
SYMATTR InstName R1
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SYMBOL cap 448 560 R0
SYMATTR InstName C4
SYMATTR Value 0.1�
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SYMATTR InstName U2
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SYMATTR InstName U3
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WINDOW 3 32 56 VTop 2
SYMATTR InstName R3
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SYMATTR InstName R4
SYMATTR Value 10k
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WINDOW 0 0 56 VBottom 2
WINDOW 3 32 56 VTop 2
SYMATTR InstName R5
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SYMATTR InstName R6
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SYMATTR InstName R7
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SYMATTR InstName C5
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SYMBOL res 400 416 R90
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SYMATTR InstName R8
SYMATTR Value 50
SYMBOL ADG719 656 192 R0
SYMATTR InstName U4
SYMBOL ADG719 672 576 R0
SYMATTR InstName U5
TEXT -200 200 Left 2 !VDD VDD 0 DC 5\nVSS VSS 0 DC 0\nVREF VREF 0 DC 2.5
TEXT 248 224 Left 2 !;ac dec 10 0.1 0.1G
TEXT -200 288 Left 2 !.tran 40m
TEXT 40 176 Left 2 !VX VX 0 PULSE(5 0 0 5u 5u 95u 200u) AC 1

SYMATTR Value AD8615
SYMATTR Prefix X
SYMATTR SpiceModel AD8615.cir
SYMATTR Value2 AD8615
SYMATTR Description Precision Operational Amplifier

Zusammenfassung und nächste Vorlesung

• Identifizierung der Schaltungsblöcke
• Bestimmung der Übertragungsfunktion

• Simulation Colorimeter
• 15 Rauschen