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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Transimpedanzverstärker/Fotodiode Verständniss Fragen


Autor: PIC Nico (eigo) Benutzerseite
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Hallo zusammen,
ich habe mich in letzter Zeit etwas genauer mit Fotodioden beschäftigt 
dabei sind mir im Laufe der Zeit ein paar Dinge aufgefallen, die ich 
nicht so ganz verstehe. Ich fange einfach mal an.

>>Warum wird die Fotodiode in Sperrrichtung betrieben?
Ich benutze eine Fotodiode in Zusammenspiel eines TIV und möchte somit 
die Lichtintensität messen. Ich habe schon einiges dazu gelesen und auch 
heraus gefunden, dass eine Fotodiode in dieser Weise in Sperrrichtung 
betrieben wird. Aber warum? Also der Strom den die Diode "erzeugt" ist 
ja linear zum einfallenden Licht. Wie erzeugt denn die Diode einen 
Strom?

>>Warum ist der TI-Verstärker ein inv. Verstärker?
Das führt mich zu meiner nächsten Frage warum ist der TIV denn ein inv. 
Verstärker? Also wie sind da die Abläufe, dass am Ende eine positive 
Spannung am Ausgang steht? Also die Diode erzeugt ja einen Strom wenn 
Licht auf sie einfällt aber wie funktioniert das dann genau mit dem TIV, 
dass er am Ausgang positiv wird :/

>>Wofür ist der C im Rückkopplungszweig?
Bei vielen Standard Anwendungen ist ja im Rückkopplungszweig auch neben 
dem ohmischen Widerstand auch noch ein Kondensator, wofür wird der 
gebraucht?

So das ist dann auch "schon" alles..
Freue mich auf Neuigkeiten =)

schönen Abend
Joe

Autor: Nilp (Gast)
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Ein Photon erzeugt ein Elektron-Lochpaar. Das wird durch die angelegte 
Spannung getrennt und kann so den Strom bilden. Fuer den TIA empfehle 
ich den invertierenden OpAmp zu studieren.

Autor: PIC Nico (eigo) Benutzerseite
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Hi Nilp,
also mir ist durchaus bewusst wie ein invertierender 
Operationsverstärker funktioniert nur kann ich nicht ganz nachvollziehen 
weshalb die Spannung am Ausgang positiv ist, denn dann müsste ja die 
Spannung am Eingang negativ sein. Aber weshalb ist denn die Spannung am 
- Eingang negativ?
Wie hängt das mit der Diode zusammen, dass ist mein Problem wo ich fest 
hänge.

Danke..

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Joe,

>Wie erzeugt denn die Diode einen Strom?

-> Ramos-Theorem, war Gegenstand meiner Diplomarbeit...

>Das führt mich zu meiner nächsten Frage warum ist der TIV denn ein inv.
>Verstärker?

Für optimale Linearität betreibst du die Fotodiode im 0V-Betrieb. Dafür 
eignet sich ein invertierender OPamp wegen der Erzeugung der virtuellen 
Masse am "-" Eingang ja ganz augenscheinlich.

>Bei vielen Standard Anwendungen ist ja im Rückkopplungszweig auch neben
>dem ohmischen Widerstand auch noch ein Kondensator, wofür wird der
>gebraucht?

Die Fotodiodenkapazität am "-" EIngang des OPamp verursacht einen "Phase 
Lag" und macht den OPamp notorisch instabil. Eine "Phase Lead"-Kapazität 
vom Ausgang zum "-" Eingang kompensiert diese unerwünschte 
Phasendrehung.

Kai Klaas

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Joe E. (eigo)

>weshalb die Spannung am Ausgang positiv ist, denn dann müsste ja die
>Spannung am Eingang negativ sein.

Nöö, die ist Null.

> Aber weshalb ist denn die Spannung am - Eingang negativ?

Ist sie nicht.

>Wie hängt das mit der Diode zusammen, dass ist mein Problem wo ich fest
>hänge.

Die Photodiode liefert einen Photostrom (wer hätte das gedacht).
Und der fliesst entgegen dem Pfeil im Symbol.
Der Rest sollte dann klar werden.

Siehe Lichtsensor / Helligkeitssensor

MfG
Falk

Autor: helga (Gast)
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>>Warum wird die Fotodiode in Sperrrichtung betrieben?
Weil das Licht den Sperrstrom der Fotodiode erhöht

>>Warum ist der TI-Verstärker ein inv. Verstärker?
Weil dadurch keine Spannungsänderung an der Fotodiode ensteht.
Sonst wird durch den Miller Effekt die Schaltung sehr langsam.

>>Wofür ist der C im Rückkopplungszweig?
Der OPV hat 180 Grad Phasendrehung. Durch die Frequenzkompensation des 
OPV's kommen nochmals 90 Grad dazu. Der Gegenkopplungswiderstand mit der 
Fotodiode enstehen weitere 90 Grad Phasendrehung. AAlso keine 
Phasenreserve ist mehr  vorhanden.
Lösung C in der Gegenkopplung.

Autor: Otto J. (Gast)
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Warum TIV: Weil du einen Current to Voltage Converter brauchst, und 
dieser sinnvoller weise nur mit einem TIV zu bewerkstelligen ist.
Würdest du einen Elektromerverstärker (nichtinvertierer) verwenden, wie 
soll dort ein Stromfluß zustande kommen bei theoretisch unendlich hohem 
Eingangswiderstand? Richtig, nämlich gar nicht.
OP--->Spannungsgesteuertes Bauteil

mfg

Autor: Reinhard Kern (Gast)
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Hallo,

wie schon beschrieben, wird die Diode im Kurzschluss, also mit 0 V 
Spannung, betrieben. Wenn dich also der positive Ausgang stört, dreh sie 
einfach um.

Gruss Reinhard

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo Joe,

>>>Warum wird die Fotodiode in Sperrrichtung betrieben?
> Ich benutze eine Fotodiode in Zusammenspiel eines TIV und möchte somit
> die Lichtintensität messen. Ich habe schon einiges dazu gelesen und auch
> heraus gefunden, dass eine Fotodiode in dieser Weise in Sperrrichtung
> betrieben wird. Aber warum? Also der Strom den die Diode "erzeugt" ist
> ja linear zum einfallenden Licht. Wie erzeugt denn die Diode einen
> Strom?
Das Licht trifft auf die Raumladungszone und trennt mithilfe der im 
Licht enthaltenen Energie ein Elektron-Loch-Paar. Das führt zu einem 
Stromfluß, bei dem Energie in den Stromkreis eingebracht wird.

Daß der Strom in Sperrichtung fließen muß, ist eigentlich klar. Denn in 
Flußrichtung betrieben passiert ja das genaue Gegenteil: Der Strom 
erzeugt Licht.

>>>Warum ist der TI-Verstärker ein inv. Verstärker?
> Das führt mich zu meiner nächsten Frage warum ist der TIV denn ein inv.
> Verstärker? Also wie sind da die Abläufe, dass am Ende eine positive
> Spannung am Ausgang steht? Also die Diode erzeugt ja einen Strom wenn
> Licht auf sie einfällt aber wie funktioniert das dann genau mit dem TIV,
> dass er am Ausgang positiv wird :/
Der von der Diode erzeugte Strom fließt (getrieben von der 
Ausgangsspannung des OPV) über den Rückkopplungswiderstand des 
Transimpedanzverstärkers und erzeugt dort einen Spannungsabfall. Dieser 
Spannungsabfall (vom Ausgang zum (-)Eingang) ist gleich groß wie die 
Spannung vom Ausgang zur Masse, da der (-)Eingang eine virtuelle Masse 
ist. Das negative Vorzeichen ergibt sich daraus ganz natürlich.

>>>Wofür ist der C im Rückkopplungszweig?
> Bei vielen Standard Anwendungen ist ja im Rückkopplungszweig auch neben
> dem ohmischen Widerstand auch noch ein Kondensator, wofür wird der
> gebraucht?
Das C wird benötigt, damit der OPV nicht schwingt.


Gruß,
  Michael

Autor: Klaus (Gast)
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Autor: PIC Nico (eigo) Benutzerseite
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Also bei der Schaltung im Anhang, würde der Sperrstrom (welcher linear 
zur einfallenden Lichtstärke wächst) vom Ausgang des OPs über R1 durch 
die Diode gegen GND fließen. Dadurch fällt an R1 eine Spannung ab, 
welche die Polarität + am Ausgang und - am inv. Eingang des OPs hat. Und 
somit erhält man eine prop. (positive) Spannung am Ausgang in Bezug zum 
Licht. Ist das so in etwas richtig?

LG Joe

Autor: Falk Brunner (falk)
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ja

Autor: Werner (Gast)
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Was passiert wenn ich die beiden GND Anschlüsse stattdessen an Vcc 
hänge? Habe das neulich gesehen...

Werner

Autor: Marcus H. (Firma: www.harerod.de) (lungfish) Benutzerseite
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beziehst Du Dich auf Nicos Post von 100111181?

- Du verschiebst nur ein wenig den Offset, d.h.

 - du stehst im Dunkeln, 0µA -> Vout = Vcc
 - es dämmert,           1µA -> Vout = Vcc + 1V
 - es wird hell,         5µA -> Vout = Vcc + 5V
 - etc. ad nauseam...

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