GX-TXT-v3: fotodiodo virtuale e misure sul preamplificatore

Da dove sono partito

La GX-TXT-v3 è un piccolo strumento pensato per verificare il funzionamento dei telecomandi a infrarossi. Il circuito rileva il segnale ricevuto, ne amplifica la componente utile e pilota un LED di segnalazione, con sensibilità regolabile e spegnimento automatico dopo alcuni secondi per ridurre il consumo della batteria.

In questa serie di articoli sto seguendo passo passo la realizzazione e la caratterizzazione del circuito, dal progetto della PCB fino alle misure sul banco.

Qui il primo post della serie:

Strumenti utilizzati

Per le misure riportate in questo articolo ho utilizzato principalmente un oscilloscopio RIGOL DS1104Z-S Plus, impostando la limitazione di banda a 20 MHz per ridurre il rumore ad alta frequenza non necessario durante queste prove.

Le misure con l’oscilloscopio sono state effettuate con una sonda RIGOL PVP3150 utilizzata in configurazione 10×. In questa configurazione la sonda presenta nominalmente un’impedenza d’ingresso di 10 MΩ e una capacità dell’ordine di 10 pF.

Come generatore di funzioni ho utilizzato un FE FY6900, impiegato per pilotare il fotodiodo virtuale con le forme d’onda utilizzate nelle diverse prove.

Per le misure DC ho utilizzato principalmente il multimetro da banco OWON XDM2041. In alcune verifiche e misure ausiliarie ho utilizzato anche un multimetro portatile NIMEX NI-4000.

Il fotodiodo virtuale

Per caratterizzare il circuito in modo ripetibile ho preferito, almeno inizialmente, non utilizzare un fotodiodo reale. Al suo posto utilizzo un piccolo circuito che svolge la funzione di fotodiodo virtuale e che mi permette di generare una corrente controllata a partire dal segnale fornito dal generatore di funzioni.

Il circuito è volutamente molto semplice. Il segnale GEN_IN pilota la base di un 2N3904 attraverso una resistenza da 1 kΩ; una resistenza da 1 MΩ mantiene la base riferita a massa in assenza di segnale. Sull’emettitore è presente una resistenza RSENSE da 51 kΩ, mentre il collettore viene collegato direttamente al nodo VIR del ProvaTelecomando.

In questo modo il transistor lavora sostanzialmente come un generatore di corrente controllato dalla tensione applicata a GEN_IN. La corrente assorbita dal collettore simula quindi, entro le approssimazioni del circuito, la corrente che sarebbe prodotta da un fotodiodo reale illuminato.

Il collettore del 2N3904 viene collegato direttamente al nodo VIR della GX-TXT-v3. Sul ProvaTelecomando questo nodo è mantenuto verso l’alimentazione, circa 9 V, attraverso la resistenza R7 da 51 kΩ.

In assenza di corrente VIR si trova quindi praticamente alla tensione di alimentazione. Quando il transistor del fotodiodo virtuale conduce, sottrae corrente al nodo e sulla R7 compare una caduta di tensione. In prima approssimazione si può quindi scrivere:

V_IR ≈ V_CC – I_C · R7

I limiti del fotodiodo virtuale

Questo circuito non vuole essere un modello completo di un fotodiodo reale. Lo scopo è soprattutto quello di ottenere una corrente controllabile e ripetibile con cui verificare la risposta della catena di ingresso della GX-TXT-v3.

Un fotodiodo reale presenta infatti anche una capacità di giunzione, oltre a corrente di buio, resistenza parassita e caratteristiche di rumore proprie. La capacità del fotodiodo può diventare particolarmente importante nelle misure in AC perché, insieme all’impedenza del circuito al quale è collegato, influenza la forma del segnale e la risposta in frequenza.

Nel fotodiodo virtuale questa capacità non viene riprodotta intenzionalmente: sul collettore del 2N3904 rimangono solamente la capacità propria del transistor, dell’ordine di pochi pF, e le capacità parassite introdotte dal montaggio, dal collegamento e dagli strumenti di misura.

Anche dal punto di vista del rumore i due sistemi non sono equivalenti. Il transistor possiede naturalmente il proprio rumore, ma il circuito non riproduce esattamente il rumore associato a un fotodiodo reale illuminato.

Limite di corrente e headroom

Esiste naturalmente un limite alla corrente che il fotodiodo virtuale può simulare. Perché il 2N3904 continui a lavorare correttamente, la tensione sul collettore deve rimanere sufficientemente superiore a quella sull’emettitore; se VIR scendesse troppo, il transistor entrerebbe in saturazione e la relazione tra tensione di comando e corrente non sarebbe più valida.

Nel punto più alto utilizzato in questa prova, circa 38 µA, sull’emettitore misuro circa 1,95 V. La stessa corrente produce sulla R7 da 51 kΩ della GX-TXT-v3 una caduta di circa 1,94 V: partendo da circa 9 V, VIR rimane quindi nell’ordine dei 7 V. Il transistor dispone ancora di diversi volt tra collettore ed emettitore ed è quindi molto lontano dalla saturazione.

Trascurando le piccole differenze tra corrente di collettore ed emettitore, con R7 e RSENSE entrambe da 51 kΩ il limite imposto dalla saturazione cade grossolanamente nell’ordine di 80–85 µA con alimentazione a 9 V. I valori utilizzati in queste prove rimangono quindi ampiamente al di sotto di questo limite.

Implementazione del fotodiodo virtuale

Ho realizzato il fotodiodo virtuale su una piccola millefori cercando di mantenere distinti, per quanto possibile, i percorsi di massa dei due lati del circuito.

Il generatore di funzioni è collegato a GEN_IN tramite cavo coassiale. La calza è saldata direttamente al GND dello schedino in prossimità dell’ingresso del generatore, in modo da mantenere corto il percorso di ritorno del segnale di pilotaggio.

Sul lato VIR ho invece portato il contatto di massa del connettore direttamente in prossimità del capo inferiore di R_SENSE. In questo caso la corrente che voglio simulare entra nel circuito dal nodo VIR, attraversa collettore ed emettitore del 2N3904 e si richiude verso massa attraverso R_SENSE. La corrente di base costituisce solamente una piccola frazione della corrente complessiva: posizionando qui il ritorno verso il ProvaTelecomando mantengo il più corto possibile il percorso della corrente principale, evitando di farla circolare inutilmente attraverso altre zone della massa dello schedino.

Per il collegamento con la GX-TXT-v3 ho inoltre sostituito i precedenti pin header con connettori JST-XH, sia sul fotodiodo virtuale sia sulla posizione originariamente destinata al fotodiodo della scheda. I due circuiti sono collegati con un cavetto molto corto formato da una coppia leggermente twistata. Rispetto ai normali cavetti Dupont questa soluzione mi fornisce una connessione meccanicamente più stabile e ripetibile durante le misure, mantenendo allo stesso tempo molto corto il collegamento del nodo VIR.

Caratterizzazione della corrente generata

Prima di utilizzare il fotodiodo virtuale per le misure sulla GX-TXT-v3 ho misurato sperimentalmente la corrente generata per diversi valori di VGEN.

Per questa prova ho utilizzato un’onda quadra di circa 38 kHz con duty-cycle prossimo al 50%. Il generatore presenta un’uscita a 50 Ω, ma pilota un ingresso ad alta impedenza; l’ampiezza riportata in tabella è quella effettivamente misurata su GEN_IN con il canale giallo dell’oscilloscopio.

Durante la misura ho utilizzato due canali dell’oscilloscopio: il canale giallo controlla GEN_IN mentre quello azzurro misura la tensione sull’emettitore del 2N3904, cioè direttamente ai capi di R_SENSE.

In prima approssimazione la corrente generata può anche essere interpretata attraverso la relazione:

I ≈ (V_GEN – V_BE) / R_SENSE

Si tratta solamente di una relazione indicativa, perché V_BE non è costante e sulla resistenza da 1 kΩ posta in serie alla base compare anche la piccola caduta dovuta alla corrente di base.

Per determinare i valori riportati nella tabella ho quindi utilizzato direttamente la tensione V_E misurata da cui è possibile ricavare la corrente di emettitore. La corrente effettivamente prelevata dal nodo VIR è quella di collettore e differisce dalla corrente di emettitore solamente per la corrente di base del transistor; per questa caratterizzazione considero quindi I_C circa uguale a I_E.

I_PD ≈ I_E = V_E / R_SENSE = V_E / 51 kΩ

Negli oscillogrammi seguenti è riportata la caratterizzazione del fotodiodo virtuale per diversi valori di VGEN. Il canale giallo mostra il segnale GEN_IN, mentre il canale azzurro mostra la tensione sull’emettitore del 2N3904 e quindi, attraverso R_SENSE, l’andamento della corrente generata.

Aumentando progressivamente VGEN si osserva l’aumento della tensione sull’emettitore e quindi della corrente equivalente del fotodiodo virtuale. Le immagini corrispondono agli stessi punti utilizzati per costruire la tabella delle correnti.

Dopo questa serie di misure ho saldato un jumper sul pulsante di accensione, in modo da mantenere il ProvaTelecomando stabilmente acceso durante le prove successive. Durante le misure infatti il timer poteva spegnere il circuito, costringendomi a riattivarlo.

Caratterizzazione AC dell’ingresso e del preamplificatore

Misura del segnale sul nodo VIR

Il primo punto della catena che ho deciso di osservare è VIR, cioè il nodo al quale viene collegato il collettore del fotodiodo virtuale e, nel normale funzionamento dello strumento, il fotodiodo reale.

VIR è collegato all’alimentazione, circa 9 V, attraverso la resistenza R7 da 51 kΩ. In assenza di corrente il nodo rimane quindi prossimo alla tensione di alimentazione; quando il fotodiodo virtuale conduce, la corrente sottratta dal nodo produce una caduta su R7 e la tensione VIR diminuisce.

Prima di effettuare il confronto con la misura reale ho ripetuto la simulazione LTspice utilizzando il circuito completo e introducendo anche il carico della sonda dell’oscilloscopio. La misura viene effettuata con una RIGOL PVP3150 in configurazione 10×, che alla punta presenta nominalmente un’impedenza dell’ordine di 10 MΩ in parallelo a circa 10 pF. Ho quindi inserito in simulazione una resistenza da 10 MΩ e una capacità da 10 pF tra VIR e massa.

La componente resistiva della sonda ha un effetto molto piccolo se confrontata direttamente con R7 da 51 kΩ, ma questo non significa che la misura possa essere considerata completamente non invasiva. Sul nodo VIR è infatti collegato, attraverso il condensatore di accoppiamento da 10 nF, anche lo stadio buffer successivo.

Alla frequenza utilizzata per queste prove, circa 38 kHz, la reattanza del condensatore da 10 nF è di circa 420 Ω e risulta quindi molto piccola rispetto alle resistenze della rete di polarizzazione del buffer. Dal punto di vista AC il nodo VIR risente quindi anche dell’impedenza dello stadio successivo, il cui partitore comprende le resistenze da 1,8 MΩ e 470 kΩ.

La capacità della sonda assume a questo punto un’importanza maggiore. Una capacità di circa 10 pF presenta, a 38 kHz, una reattanza nell’ordine di 420 kΩ, confrontabile con l’impedenza della rete di ingresso del buffer. Sulle armoniche superiori che formano i fronti dell’onda quadra la sua reattanza diminuisce ulteriormente, per cui l’effetto della sonda può diventare visibile soprattutto sulla forma delle transizioni.

Per questo motivo nel confronto tra simulazione e oscillogramma reale ho preferito includere esplicitamente anche il modello della sonda. In questo modo la simulazione rappresenta non soltanto il circuito ideale, ma più precisamente il circuito nelle condizioni in cui viene effettivamente osservato sul banco.

Per mantenere il confronto con la simulazione ho impostato il generatore con un’ampiezza VGEN = 1,58 V. In queste condizioni sull’emettitore del 2N3904 misuro circa 1,02 V, valore che attraverso R_SENSE da 51 kΩ corrisponde a una corrente di circa 20 µA.

A questo punto ho confrontato direttamente il nodo VIR simulato con quello misurato sulla scheda reale, mantenendo una corrente equivalente del fotodiodo di circa 20 µA.

Nelle due immagini seguenti sono riportati prima il risultato della simulazione LTspice, comprensiva del carico della sonda, e poi l’oscillogramma acquisito sul banco nelle stesse condizioni operative.

Il confronto è molto stretto. In simulazione la variazione di tensione sul nodo VIR risulta pari a circa 869 mV, mentre sull’hardware misuro circa 860 mV. La differenza è quindi di soli 9 mV, pari a circa 1%: simulazione e misura coincidono entro l’incertezza dovuta alle tolleranze dei componenti.

Anche la forma delle transizioni risulta qualitativamente molto simile. Il segnale reale, come quello simulato includendo il carico della sonda, presenta fronti arrotondati anziché una variazione perfettamente rettangolare. Per questa prima misura il comportamento del nodo VIR risulta quindi molto vicino a quello previsto dal modello.

Effetto della regolazione di guadagno sul preamplificatore QPRE

Dopo aver verificato il comportamento del nodo VIR sono passato al primo vero stadio di amplificazione della GX-TXT-v3, osservando il segnale sul collettore di QPRE, nodo QPRE_C nella simulazione.

In questa prova ho mantenuto invariato il pilotaggio del fotodiodo virtuale, con una corrente equivalente di circa 20 µA, e ho modificato progressivamente la regolazione POT_GAIN. Lo scopo è verificare quanto varia l’ampiezza del segnale sul collettore di QPRE e confrontare il comportamento del circuito reale con quello previsto da LTspice.

Ho preferito effettuare la misura sul collettore anziché sulla base del transistor. Sul collettore l’escursione del segnale è molto maggiore e la misura risulta quindi più leggibile, mentre una misura sui nodi di ingresso fornirebbe variazioni più piccole e introdurrebbe un carico proprio nella parte più sensibile dello stadio.

Per ogni posizione del trimmer ho misurato con l’oscilloscopio l’escursione picco-picco su QPRE_C. Ho inoltre annotato la tensione indicata dal multimetro da banco OWON XDM2041 in acquisizione LOW. Quest’ultimo valore viene riportato solamente come riferimento: trattandosi di un segnale periodico non perfettamente simmetrico e non conoscendo nel dettaglio l’elaborazione effettuata dallo strumento in questa modalità, non lo utilizzerò per un confronto quantitativo con la simulazione.

In questa simulazione non ho aggiunto il modello da 10 MΩ // 10 pF della sonda utilizzato precedentemente sul nodo VIR. QPRE_C è infatti un nodo a impedenza sensibilmente più bassa e il carico introdotto dalla sonda 10× è molto meno significativo.

Le posizioni reali misurate del trimmer sono state 0 Ω, 249,0 Ω, 498,2 Ω, 749,8 Ω e 960,8 Ω. Nella simulazione ho utilizzato rispettivamente gli stessi valori.

POT_GAIN = 0 Ω

Con POT_GAIN regolato a 0 Ω si ottiene il massimo guadagno dello stadio. Sul circuito reale misuro circa 5,02 Vpp sul collettore di QPRE, mentre la simulazione prevede circa 5,22 Vpp. La lettura DC fornita dall’OWON è 5,0139 V.

POT_GAIN ≈ 250 Ω

Portando POT_GAIN a 249,0 Ω, l’escursione misurata scende a circa 3,64 Vpp. La simulazione effettuata con lo stesso valore di POT_GAIN fornisce circa 3,69 Vpp. La lettura dell’OWON è 4,7247 V.

POT_GAIN ≈ 500 Ω

Con POT_GAIN pari a 498,2 Ω ottengo sul circuito reale circa 2,82 Vpp. Nelle stesse condizioni la simulazione restituisce circa 2,95 Vpp. La lettura dell’OWON è 4,711 V.

POT_GAIN ≈ 750 Ω

Con POT_GAIN pari a 749,8 Ω l’escursione reale scende a circa 2,45 Vpp, mentre la simulazione fornisce circa 2,55 Vpp. La lettura dell’OWON è 4,722 V.

POT_GAIN ≈ 1 kΩ

Nell’ultima misura POT_GAIN è pari a 960,8 Ω. Sul circuito reale misuro circa 2,26 Vpp, mentre la simulazione effettuata con lo stesso valore fornisce circa 2,32 Vpp. La lettura dell’OWON è 4,709 V.

Riepilogo delle misure sul preamplificatore

La tabella seguente raccoglie i risultati ottenuti sul nodo QPRE_C per le cinque posizioni di POT_GAIN utilizzate durante la prova. Per ogni punto riporto l’escursione picco-picco misurata sull’hardware e quella ottenuta in LTspice nelle stesse condizioni.

Riporto anche la tensione letta dal multimetro da banco OWON XDM2041. La misura è stata effettuata utilizzando l’acquisizione LOW dello strumento e, trattandosi di una forma d’onda variabile, non la considero una misura sufficientemente definita del punto di lavoro DC da utilizzare per un confronto quantitativo con la simulazione. Rimane comunque utile come riferimento sperimentale.

Rapporto di amplificazione tra VIR e QPRE_C

Dai dati raccolti è possibile ricavare anche il rapporto tra l’escursione presente sul collettore di QPRE e quella misurata precedentemente sul nodo VIR.

È importante precisare che questo valore non rappresenta il guadagno del solo transistor QPRE. Tra VIR e QPRE sono infatti presenti il condensatore di accoppiamento, il buffer Darlington formato da QBUF1 e QBUF2 e il successivo condensatore di accoppiamento verso il preamplificatore. Il valore calcolato descrive quindi il rapporto di amplificazione complessivo della catena compresa tra VIR e QPRE_C nelle condizioni utilizzate per questa prova.

A_{VIR→QPRE_C} = V_pp(QPRE_C) / V_pp(VIR)

Per il circuito reale utilizzo come riferimento l’escursione precedentemente misurata sul nodo VIR, pari a circa 860 mVpp. Per la simulazione utilizzo invece il corrispondente valore LTspice di circa 869 mVpp. In questo modo il rapporto viene calcolato separatamente sui dati reali e simulati.

A_reale = V_pp(QPRE_C)_reale / 0,860 V

A_sim = V_pp(QPRE_C)_sim / 0,869 V

Per rendere più immediato il confronto ho riportato questi valori in un grafico, mettendo sull’asse orizzontale la resistenza impostata con POT_GAIN e sull’asse verticale il rapporto di amplificazione VIR → QPRE_C. Nel grafico sono riportati sia i dati sperimentali sia quelli ottenuti dalla simulazione LTspice.

L’andamento misurato segue molto bene quello previsto dalla simulazione. Portando POT_GAIN da 0 Ω verso il fondo corsa, il rapporto di amplificazione complessivo VIR → QPRE_C passa da circa 5,84 a 2,63 sul circuito reale, mentre LTspice prevede una variazione da circa 6,00 a 2,67.

La regolazione produce quindi l’effetto previsto: aumentando POT_GAIN diminuisce progressivamente l’amplificazione della componente AC, con un andamento molto simile tra circuito reale e modello.

Rimane invece una differenza visibile nella forma della tensione sul collettore. Nella simulazione il livello durante ciascun semiperiodo presenta una pendenza più evidente, mentre sull’hardware reale la forma d’onda risulta più piatta. In questa fase considero quindi molto buona la corrispondenza delle ampiezze e dell’andamento del guadagno, lasciando invece aperta la differenza relativa alla forma dettagliata del segnale.

Conclusioni

Le misure effettuate permettono di verificare sperimentalmente il comportamento della prima parte della catena di elaborazione della GX-TXT-v3. Il fotodiodo virtuale consente di applicare al nodo VIR una corrente nota e ripetibile, rendendo possibile il confronto diretto tra circuito reale e simulazione.

Sul nodo VIR la variazione misurata è risultata molto vicina a quella prevista da LTspice. Anche sul collettore di QPRE la regolazione POT_GAIN produce l’effetto atteso: aumentando la resistenza diminuisce progressivamente l’ampiezza del segnale, con una buona corrispondenza tra i valori misurati e quelli simulati.

Il rapporto di amplificazione complessivo tra VIR e QPRE_C passa, nelle condizioni della prova, da circa 5,84 con POT_GAIN a 0 Ω a circa 2,63 con POT_GAIN a 960,8 Ω. La simulazione restituisce rispettivamente valori di circa 6,00 e 2,67.

Vale la pena precisare quale ruolo ha avuto la simulazione in queste prove. L’obiettivo non è ottenere una corrispondenza numerica esatta tra LTspice e il banco, ma caratterizzare il comportamento del circuito reale. La simulazione serve quindi come verifica: se misura e modello concordano entro qualche punto percentuale posso ritenere che il circuito si comporti come previsto e che non ci siano errori grossolani né nel montaggio né nel modo in cui sto misurando.

In queste misure lo scarto tra hardware e simulazione rimane sistematicamente entro il 4%, con l’ampiezza misurata sempre leggermente inferiore a quella prevista. È una differenza compatibile con le tolleranze dei componenti e con le approssimazioni del modello, e non modifica nessuna delle conclusioni. Lo stesso vale per la diversa pendenza osservata durante i semiperiodi: resta un punto da approfondire, ma non incide sulla caratterizzazione del guadagno, che è quello che mi interessava ottenere. I valori di riferimento per la scheda restano quindi quelli misurati.

Con questa prova considero quindi caratterizzata sperimentalmente la regolazione del guadagno della prima parte della catena. Il passaggio successivo sarà lo studio della regolazione della sensibilità e della soglia di intervento, che coinvolge una parte diversa del circuito e richiede una serie di misure dedicate.