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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Temperaturgang Transimpedanzverstärker für Photodiode


Autor: Alexander Liebhold (lippi2000)
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Hallo,
muss für einen Regelkreis den Sperrstrom einer Photodiode in eine 
Spannung wandeln. Die Photodiode ist vorgespannt und arbeitet linear. 
Mein eigentliches Problem ist Temperaturabhängigkeit von 0°C-70°C der 
Strom-Spannungswandlung. Mit nem Opamp als Transimpedanzverstärker ist 
der Fehler trotz Eingangskompensation immer noch zu Hoch (ca. 4% siehe 
Anhang!!!). Ziel ist eine Verbesserung um den Faktor 5, sprich unter 1%.

Wie genau ist ein Differenzverstärker in Bezug auf die 
Eingangsoffsetströme?

Kann man vielleicht was mit nem Stromspiegel machen und anschließend die 
Spannung verstärken?

Autor: Tcf Kat (tcfkat)
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Äh, bist Du sicher, dass nicht die Photodiode das Problem macht? Oder 
ist die auf konstanter Temperatur?
Welchen OP hast Du denn, welchen Input Bias Current mit welchem TK hat 
der? Da würde ich zuerst ansetzen. Welchen TK haben die Widerstände! Die 
gibt es in verschiedenen TK-Werten. Wird die Schaltung isotherm gehalten 
(Thermoeffekt)?
Wobei 70K Temperaturhub schon nicht ohne sind...

Autor: Alexander Liebhold (lippi2000)
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Momentan habe ich den AD8047 in Benutzung, da bisher keine Anforderungen 
an die Temperatur gestellt waren. (Definierte Laborbedingungen)

Jetzt soll ein neuer Regelkreis entwickelt werden, der solch einen 
Temperaturgang (Umgebungstemperatur)möglichst präzise erreich. Zudem 
wird der ganze Regelkreis noch mit 100kHz moduliert.

AD8047:  #Input Bias Current: max.6,5uA
         #Input Offset Current: max. 3uA

Wie groß ist die Abweichung der Photodiode über die Temperatur?
(Eine Temperierung ist aber sehr wahrscheinlich.)
Nun gut, Widerstände haben TK5. Ach ja, hab mir jetzt noch den OPA657 
raus gesucht, der ist deutlich besser (I_Bias=1,8uA / I_off=0,9uA)

Wäre es günstiger von den Abweichungen her einen Spannungsabfall durch 
den Photostrom zu erzeugen und dann einen niederohmigen 
Differenzverstärker dran zu hängen?

Eine Temperierung der Schaltung selbst ist laut meiner Vorgaben nicht 
zulässig, da für diese extrem wenig Platz zur Verfügung steht.

Autor: Tcf Kat (tcfkat)
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Woher hast Du die 5% aus dem ersten Posting, im Klimaschrank gemessen, 
oder simuliert?
Aus dem Bauch heraus wird die Photodiode bei dem Hub wesentlich mehr 
Fehler machen, da es sich um einen Sperrstrom handelt - bitte das DS der 
Diode konsultieren, unter CQX35A finde ich nur eine LED.
Die Widerstände sind mit TK5 sehr gut, sind schon Präzisionswiderstände.
Die Schaltungstopologie macht imho nicht viel Unterschied, Du musst den 
Verstärker mit niedrigem Input Current und Input Offset Drift bauen, die 
OP-Wahl ist entscheidend. Da gibt es noch bessere...
Gucke Dir z.B. mal den OPA334 an: Input Bias Current 200pA(max) 
[1nA(typ) von -40°C...+125°C], Input Offset Current 400pA(max), Input 
Offset Voltage Drift 0,05µV(max)/K. Achtung, 5V single supply.

Autor: Alexander Liebhold (lippi2000)
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Gemessen habe ich unter klimatischen Bedingungen 8% mit einer früheren 
Schaltung. Die angegeben 4% sind simuliert, in dem ich den 
worst-case-Fall der Eingangsströme als Stromquelle zugefügt habe.

Ach ja, die Diode soll nur eine schematische Darstellung sein. Der 
Photostrom wird durch die Quelle IS3 generiert. Für die Endschaltung 
wird die Photodiode S9687 von Hamamatsu eingesetzt. Im Datenblatt findet 
man leider nichts über Temperaturverlauf.

Der OPA334 klingt gut, ist aber mit GBW = 2MHz extrem langsam. Da wird 
nichts mehr mit Modulation. (rise time = 10us).

Wie siehts denn aus mit OTA (Current Feedback OPamp) kennt sich da 
jemand aus? Hab mit denen noch nicht gearbeitet. Werd da mal 
nachschauen.

Autor: Alexander Liebhold (lippi2000)
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OPA657 klingt gut: GBW=1600MHz
                   I_Bias=1,8uA (0...70°C)
                   I_off=0,9uA  (0...70°C)

Da sollte man doch was erreichen können!?

Autor: Uwe Bonnes (Gast)
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Was fuer ein Problem hast Du?

Willst Du den Photostrom der Diode messen? Dann gibt es da klar eine 
Temperraturabhaengigkeit des Photostromes! Das ist physikalisch bestimmt 
und daran kannst Du nicht drehen. Du kannst versuchen rechnerisch zu 
kompensieren. Besser waere es aber m.e.a. die Temperatur der Diode zu 
regeln (Peltier oder auf maximal zu erwartende Temperatur heizen).


Oder willst Du den temperaturabhaengigen Restrom der unbeleuchteten 
Diode messen? Dann hat der TIA die Temperaturabhaengigkeit des 
Rueckkoppelwiderstandes und des Bias/Offsetstromes.

Autor: Michael Wilhelm (Gast)
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Eine zweite Fotodiode einbauen, ohne Lichteinfall. Damit könntest du die 
Temperaturdrift ermitteln.

MW

Autor: Alexander Liebhold (lippi2000)
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OK. Die Photodiode wird Temperiert. Somit bleibt noch die 
Temperaturgenauigkeit des OPAmp und des Feedbackwiderstands (TK5).

Den Bias und Offset-Strom versuche ich zu verringern. Da gehts ja nur 
noch mit nem sehr gutem OPA. Dies ist die Standartmöglichkeit.

Gibt es noch einen besseren Weg!?

Autor: Tcf Kat (tcfkat)
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Der OPA334 hat eine Slewrate von 1,6V/µs, wieso reicht Dir das nicht? 
Wenn der mit 2V Hub arbeitet, sind das immerhin noch gut 400kHz. Schnell 
UND präzise ist nicht trivial zu realisieren.
Aus dem Tietze-Schenk habe ich noch:
- die Photodiode sollte mit DC vorgespannt sein, da dadurch die 
Sperrschichtkapazität kleiner wird, und damit das Ansprechverhalten 
schneller. Der Photostrom ändert sich durch diese Vorspannung fast 
nicht.
- Der Feedbackwiderstand sollte kapazitätsarm sein, da sonst die 
Bandbreite bergrenzt wird. Dürfte hier aber nicht kritisch sein, im TS 
reden die von 1GOhm||1pF.

Autor: Alexander Liebhold (lippi2000)
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Die Slewrate trifft doch in diesem fall überhaupt keine Aussage. Die 
1,6V/us stimmen nur bei Verstärkung 1! 2MHz Bandbreite ist auch ein 
bißchen sehr wenig. Was ich brauche sind 1MHz bandbreite.

Also die Photodiode inkl.Zuleitung hat 650pF. Da ich nur wenige OPAmp's 
mit großer Differenzspannung zur Auswahl habe, werde ich die 
Ausgangsspannung auf 1.25V begrenzen -->Rf = 10k.
Für PD-Preamp gilt:

fc = sqrt[GBP/(2*PI*Rf*Cd)] = 1/(2*PI*Rf*Cf)

fc = 1MHz  ---> mindestens GBP = 40,84MHz!!!

Hab mir jetzt den AD8066 raus gesucht. Der hat GBP=86MHz für 
Großsignale.

Also jetzt anders rum gerechnet mit GBP=86MHz:

--> fc = 1,45MHz
--> Cf = 10,96pF

So sollte das nun passen. Alle anderen Werte sehen eigentlich gut aus. 
Gleich mal ein Muster bestellen :-)

###Ach ja, hab mich weiter oben verschrieben. Die 10us sind für meinen 
gesamten Regelkreis, der Transimpedanz muss weitaus schneller sein.###

Autor: Hagen Re (hagen)
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OPA380/OPA2380 vielleicht ?

Gruß Hagen

Autor: Alexander Liebhold (lippi2000)
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Sieht nicht schlecht aus. Werd wohl mal einen parallelen Aufbau machen 
und vergleich.

Autor: andi (Gast)
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LMH6505 könnte interessant sein, da ist ein Current Feedback Amplifier 
drin. Den Pin 3 kann man direkt als Stromeingang benutzen. Application 
Note OA-15 ist empfehlenswert zu lesen.
Gibt auch P-Spice Modelle dazu, alles unter national.com.

Gruss Andi

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