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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Photodiodenverstärker


Autor: Sponty (Gast)
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Hallo,

ich habe ein kleines Problem mit dieser Schaltung, unter Verwendung 
einer Hamamatsu G8370-03 Photodiode.
Der Aufbau fängt nach einiger Zeit an zu oszillieren (?) und die 
Ausgangsspannung steigt an, alles ohne eine Einstrahlung auf der 
Photodiode.

Ich würde nun gerne einen Kondensator parallel zu dem 6k8 Ohm Widerstand 
legen, aber wie berechne ich den ? Die Formel die ich dazu gefunden habe 
lautet Cf*Rf=Cin*Rin, was aber bei einem Rin des LMC von 10 Tera Ohm 
einen Wert im F Bereich bedeuten würde.
Wie stabilisiere ich also diese Schaltung am besten stabilisieren ?

Gruss

Sponty

Autor: Falk Brunner (falk)
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@Sponty (Gast)

>Der Aufbau fängt nach einiger Zeit an zu oszillieren (?) und die
>Ausgangsspannung steigt an, alles ohne eine Einstrahlung auf der
>Photodiode.

R2 ist sehr komisch. Es fehlt die Kompensation von R1 (Kondensator).

>Ich würde nun gerne einen Kondensator parallel zu dem 6k8 Ohm Widerstand
>legen, aber wie berechne ich den ? Die Formel die ich dazu gefunden habe

>lautet Cf*Rf=Cin*Rin, was aber bei einem Rin des LMC von 10 Tera Ohm
>einen Wert im F Bereich bedeuten würde.

;-)
Du vergisst den Sperrwiderstand der Diode. Bei dir sind das eher Pico 
bis Nanofarad.

Siehe Lichtsensor / Helligkeitssensor

MFG
Falk

Autor: Stefan (Gast)
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Du solltest Dir erst mal darüber klar werden, ob Du:

1.) Die Photospannung (-> Spannungsverstärker)
2.) Den Photostrom    (-> Transimpedanzverstärker)
messen willst!

Dein Verstärker ist keins von den beiden.

Bei TI gibt's 'ne AppNote "Compensate Transimpedance Amplifiers 
Intuitively".
Das solltest Du Dir mal anschauen!

Autor: Timbo (Gast)
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Jepp. Das solltest Du. Eine Möglichkeit wenn Deine Schaltung dann immer 
noch nicht geht wäre, einen Spannungsverstärker und einen PI Controller 
als Stromverstärkung zu verschalten. Das ist so das stabilste bei langen 
Kabeln.

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo Stefan,

> Du solltest Dir erst mal darüber klar werden, ob Du:
>
> 1.) Die Photospannung (-> Spannungsverstärker)
> 2.) Den Photostrom    (-> Transimpedanzverstärker)
> messen willst!
>
> Dein Verstärker ist keins von den beiden.
>
> Bei TI gibt's 'ne AppNote "Compensate Transimpedance Amplifiers
> Intuitively".
> Das solltest Du Dir mal anschauen!

die Schaltung ist ein Transimpedanzverstärker. Die Ausgangsspannung 
beträgt:

UA = 6,8kOhm * I_Ph

Der 33-Ohm-Widerstand ist allerdings etwas komisch, da er parallel zur 
virtuellen Masse anliegt und über ihn eigentlich kein Strom fließen 
dürfte.

Wahrscheinlich fehlt dem Verstärker eine kleine Kapazität parallel zu 
den 6,8kOhm, damit er nicht mehr schwingt (Größenordnung: 10pF, evtl. 
100pF - je nach Größe).

Möglicherweise liegt's auch an dem unbeschalteten zweiten Verstärker. 
Den würde ich noch irgendwie definiert anschließen.

Außerdem sehe ich keine 100nF in der Nähe der Versorgungsspannung. Das 
kann auch eine Ursache für Störungen und Schwinger sein.

Und wenn Du die Ausgangsspannung direkt in eine Leitung einspeist, 
empfehle ich Dir, 20-50 Ohm zwischen OPV und Leitung einzubauen.


Gruß,
  Michael

Autor: Stefan (Gast)
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Hallo Michael

>die Schaltung ist ein Transimpedanzverstärker. Die Ausgangsspannung
>beträgt:
>UA = 6,8kOhm * I_Ph

Sehe ich nicht so, denn über R2=33Ohm wird praktisch der gesamte 
Photostrom "kurzgeschlossen". So bleibt dem Transimpedanz-Verstärker nix 
mehr zum Verstärken übrig. R2 muss raus und R1 (für TIV typisch) sehr 
viel größer werden!

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo Stefan,

>>die Schaltung ist ein Transimpedanzverstärker. Die Ausgangsspannung
>>beträgt:
>>UA = 6,8kOhm * I_Ph
>
> Sehe ich nicht so, denn über R2=33Ohm wird praktisch der gesamte
> Photostrom "kurzgeschlossen". So bleibt dem Transimpedanz-Verstärker nix
> mehr zum Verstärken übrig. R2 muss raus und R1 (für TIV typisch) sehr
> viel größer werden!

der Operationsverstärker sorgt mithilfe seiner am Ausgang befindlichen 
Spannungsquelle dafür, daß der invertierende Eingang immer dasselbe 
Potential hat wie der nichtinvertierende Eingang.

In der vorliegenden Schaltung bedeutet das, daß der nichtinvertierende 
OPV-Eingang das Potential 0V gegenüber der Schaltungsmasse hat. Das ist 
ein 0-Ohm Kurzschluß, der parallel zum 33-Ohm "Kurzschluß" durch das 
Bauelement R2 verläuft.

Da keine direkte leitende Verbindung vom invertierenden Eingang zur 
Schaltungsmasse vorliegt, sondern eine durch Regelung erzeugte 
Gleichheit der Potentiale, spricht man genauer von einem virtuellen 
Kurzschluß [vom (-)Eingang zu (+)Eingang] bzw. von einer virtuellen 
Masse [am (-)Eingang].

Der Strom durch den Widerstand R2 = 33 Ohm beträgt:
I2 = 0V/33 Ohm = 0A.

Da durch den 33-Ohm-Widerstand kein Strom fließt, muß der Photostrom 
durch den Rückkopplungswiderstand von 6,8kOhm zum Ausgang des OPV 
fließen. Dafür braucht die Diode aber keine Energie aufzuwenden; die 
Energie dafür liefert der OPV.



Gruß,
  Michael

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo Sponty,

besorg Dir mal den OPA380 (SO8-Gehäuse) bzw. OPA2380 (Vorsicht, 
kleineres Gehäuse) und bau die Schaltung nach Datenblatt auf.

Dort sind auch einige Hinweise gegeben zur Größe des Kondensators im 
Rückkopplungszweig in Abhängigkeit von der Diodenkapazität und ein 
Hinweis, wie Du einen Tiefpaß 2. Ordnung integrierst.


> Wie stabilisiere ich also diese Schaltung am besten stabilisieren ?
Größenordnungsmäßig kommst Du vermutlich im 10...100pF-Bereich als 
parallele Kapazität zu R1 heraus.


Gruß,
 Michael

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Michael Lenz (hochbett)

>In der vorliegenden Schaltung bedeutet das, daß der nichtinvertierende
>OPV-Eingang das Potential 0V gegenüber der Schaltungsmasse hat. Das ist
>ein 0-Ohm Kurzschluß, der parallel zum 33-Ohm "Kurzschluß" durch das
>Bauelement R2 verläuft.

Wenn da keine Offsetspannung wäre. Selbst bei nur 1mV fliessen durch 33 
Ohm schon 30uA!! Soviel liefern viele Photodioden gar nicht!

Kein Mensch baut so einen TIA. Aus gutem Grund.

>Da durch den 33-Ohm-Widerstand kein Strom fließt, muß der Photostrom

Grau, teurer Freund, ist alle Theorie, doch grün des Lebens goldner 
Baum.

>fließen. Dafür braucht die Diode aber keine Energie aufzuwenden; die

Dito.

>Energie dafür liefert der OPV.

Wenn das alles sooo einach wären, hätte diese Anordung eine unendliche 
Bandbreite und Empfindlichkeit ;-)

MFG
Falk

Autor: Sponty (Gast)
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Danke für die schnellen Antworten.

Das Datenblatt zum OPA380 werde ich mir gleich mal runterladen und 
schaun wie der Kondensator dort berechnet wird. Leider ist das ganze 
hier eine fertige Schaltung und ich bin auf die Photodiode und den LMC 
erstmal festgelegt.

Der R2 ist mir auch nicht ganz klar, im Endeffekt macht er nicht viel 
Sinn. Ich verstehe nicht ganz, was die virtuelle Masse dort für einen 
Sinn haben soll. Wäre es nicht besser, ich nehme den R2 ganz raus und 
lege den Anschluss direkt auf Masse ?

Sind die 10...100 pF eigentlich Erfahrungswerte für den Kondensator 
(parallel zu R2) oder kann man den auch irgendwie genau bestimmen?

Gruss

Sponty

Autor: S. Frei (Firma: keine) (dani5555)
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>>Stefan (Gast)
>>Du solltest Dir erst mal darüber klar werden, ob Du:
>>1.) Die Photospannung (-> Spannungsverstärker)
>>2.) Den Photostrom    (-> Transimpedanzverstärker)
>>messen willst!
>>Dein Verstärker ist keins von den beiden.

ist soweit absolut richtig, verstehe nicht wiso dem widersprochen 
wird...

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Sponty (Gast)

>hier eine fertige Schaltung und ich bin auf die Photodiode und den LMC
>erstmal festgelegt.

Ist gar kein Problem, aber

>Sinn. Ich verstehe nicht ganz, was die virtuelle Masse dort für einen
>Sinn haben soll.

Sie verhindert, dass sich eine (grosse) Wechselspannung über der 
Photodiode ausbildet. Diese müsste die Sperrschichtkapazität umladen, 
das dauert.

> Wäre es nicht besser, ich nehme den R2 ganz raus und

Ja.

>lege den Anschluss direkt auf Masse ?

NEIN!

R2 raus.
Keramik C mit ca. 330pF parallel zu R1.

Glücklich sein.

Hast du eigentlich den Link mal gelesen? Dort steh alles drin.

MFG
Falk


Sind die 10...100 pF eigentlich Erfahrungswerte für den Kondensator
(parallel zu R2) oder kann man den auch irgendwie genau bestimmen?

Gruss

Sponty

Autor: Falk Brunner (falk)
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Für alle, welche die Rechnung nachvollziehen wollen.

Photodiode hat 1000pF

http://www.datasheetcatalog.net/de/datasheets_pdf/...

Der OPV hat 1,5 MHz GBP

http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/L/M...

Formel für C1 im Artikel Lichtsensor / Helligkeitssensor

MFG
Falk

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo Falk,

>>In der vorliegenden Schaltung bedeutet das, daß der nichtinvertierende
>>OPV-Eingang das Potential 0V gegenüber der Schaltungsmasse hat. Das ist
>>ein 0-Ohm Kurzschluß, der parallel zum 33-Ohm "Kurzschluß" durch das
>>Bauelement R2 verläuft.
>
> Wenn da keine Offsetspannung wäre. Selbst bei nur 1mV fliessen durch 33
> Ohm schon 30uA!! Soviel liefern viele Photodioden gar nicht!
Hmm, das stimmt schon. Mir ging es eben drum, zu erklären, weshalb das 
trotzdem ein (verkorkster) Transimpedanzverstärker ist und kein 
Verstärker für die Photospannung.

Was sind denn 30µA * 6,8kOhm? 200mV. Das ist auch nicht ganz wenig. Also 
vielleicht doch kein reiner Transimpedanzverstärker, sondern ein 
Verstärker der Offsetspannung. ;-)
Wenn die Offsetspannung ein bißchen zappelt, kann das auch schon das 
Schwingen sein. Die Leute sagen leider immer nicht, wie schnell es denn 
wirklich schwingt und wie stark.

> Kein Mensch baut so einen TIA. Aus gutem Grund.
Manche schon, das siehst Du doch :-p

>>Da durch den 33-Ohm-Widerstand kein Strom fließt, muß der Photostrom
> Grau, teurer Freund, ist alle Theorie, doch grün des Lebens goldner
> Baum.
>
>>fließen. Dafür braucht die Diode aber keine Energie aufzuwenden; die
>
> Dito.
>
>>Energie dafür liefert der OPV.
>
> Wenn das alles sooo einach wären, hätte diese Anordung eine unendliche
> Bandbreite und Empfindlichkeit ;-)
So wünscht man sich das doch immer, oder? :-)


Gruß,
  Michael

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo Sponty,

> Sind die 10...100 pF eigentlich Erfahrungswerte für den Kondensator
> (parallel zu R2) oder kann man den auch irgendwie genau bestimmen?
das sind Werte für Schaltungen, wie ich sie typischerweise aufgebaut 
habe. Ich hatte allerdings deutlich kleinere Diodenkapazitäten und 
höhere Transimpedanzen (Rückkopplungswiderstände).

Gruß,
  Michael

Autor: Carsten (Gast)
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.. was?

Autor: so nicht (Gast)
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Und dann noch 100nF ueber die OpAmp Speisung...

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