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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Fotodiode Gleichanteil entfernen


Autor: Reamer (Gast)
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Hallo zusammen,

ich möchte gerne mit einer Fotodiode das gepulste Licht einer anderen 
LED messen. Leider ist das Signal von einem Gleichanteil(Umgebungslicht 
überlagert) ich bekomme also von der Fotodiode einen 
Ruhestrom+Informationsstrom. Wie kann man am einfachsten den Ruhestrom 
entfernen? Ich brauche nur ein paar Anregungen. Vielen Dank

Autor: jhjfjkkj (Gast)
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Kondensator.

Gast

Autor: Reamer (Gast)
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Kondensator geht leider nicht, da die Diode nur einen positiven Strom 
liefert.

Autor: albert (Gast)
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Schau dir mal von Conrad
Artikel-Nr.: 196037 - 62
an.

Im PDF ist ein entsprechender Schaltplan.

Autor: albert (Gast)
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Korrektur:
Das war doch nicht der richtige Schaltplan. Es hat aber einmal bei C für 
14,90 einen ensprechenden Bausatz gegeben.

IR Diode an Timer 555

Fototransistor mit Serienwiderstand an U+. Mit Kondensator ausgekoppelt 
und auf nichtinvertiereneden OPV gegeben. Danach Gleichrichter.

Autor: Reamer (Gast)
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@Albert

ja die Conrad Schaltung ist mit einem LDR.

Das andere hört sich aber schon mal gut an.

Autor: HildeK (Gast)
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Spule parallel zur Fotodiode. DC-Anteil (Gleichlicht) wird 
kurzgeschlossen, alle dynamischen Änderungen kommen durch.

Autor: Reamer (Gast)
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Hallo HildeK,

die Idee ist nicht schlecht, nur leider ist die Spannungshöhe dann von 
der Stromänderung abhängig. Und die wechselt sehr stark.

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

>die Idee ist nicht schlecht, nur leider ist die Spannungshöhe dann von
>der Stromänderung abhängig. Und die wechselt sehr stark.

Die professionellen Schaltungen nehmen den klassischen 
Transimpedanzverstärker, siehe Lichtsensor / Helligkeitssensor.

Dahinter kommt ein Tiefpass und eine zweite Verstärkerstufe, welche 
einen ENTGEGENGESETZTEN Strom parallel zur Photodiode einspeist. Diese 
Regelschleife sorgt dafür, dass selbst sehr starkes Gleichlicht 
vollständig kompensiert wird. Die Grenzfrequenz des Tiefpasses wird 
damit zur transformierten Grenzfrequenz des Hochpasses.

Mfg
Falk

Autor: Reamer (Gast)
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Genau soetwas habe ich gesucht. Vielen Dank.

Autor: Tom (Gast)
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Warum geht das eigentlich nicht mit Kondensator, hab das nicht 
verstanden!?

Autor: Hauke Radtki (lafkaschar) Benutzerseite
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Es GEHT auch mit einem Kondensator (zumindest nach dem 
transimpedanzverstärker) aber durch die lösung mit dem rückgekoppelten 
Strom hat man einen viel höheren bereich der Gleichlichtunterdrückung. 
Denn der Transimpedanzverstärker geht nunmal irgendwo in die Sättigung, 
also muss man ihn so auslegen, dass er nicht in die sättigung gerät. 
Also muss man ihn für die höchste zu erwartende leuchtstärke auslegen.

Bei der anderen lösung kann die Verstärkung viel höher ausgelegt werden, 
da am eingang des Transimpedanzverstärkers garnicht erst hohe 
gleichströme auftreten, da sie vorher weggeregelt werden.

Autor: Cruze B. (bonuciness)
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Ich hab ein ähnliches Problem. Mein erster Versuch war Fotodiode > 
Transimpedanzverstärker > Hochpass.
Dass Funkntioniert auch so lange ich keine zweite Verstärkerstufe 
anhänge.
Kann mir vll. jemand erklären wie der Beitrag von Frank gemeint ist? 
Nehme ich dann für die zweite Verstärkerstufe auch einen 
stromrückgekoppelten OPV?
Kriege ich irgendwie nicht hin.

Autor: Peer (Gast)
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Hallo,

habe mal versucht einen Transkonduktanzverstärker (VC-OPV) mit LT Spice 
zu simulieren, um erstmal die Funktionsweise zu verstehen. Es handelt 
sich um den LT1228. Einziges Kriterium war erstmal das er in der 
Bibliothek vorhanden ist.

Nun ist das Simulationsergebnis nicht das, was ich erwartet habe.

Iout=Ud*gm. Und für LT1228 ist gm=10*Iset. Iout=0,5V*10*0,5mA=2,5mA

Simu sagt aber nahzu 0mA.
Wo liegt der Fehler?

Ratloser Gruß

Autor: Ingo (Gast)
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Mit dem Zweipol im Anhang, kann man auch eine Spule (für diesen Zweck) 
nachbilden. Für Gleichstrom eher eine niederohmige kleine Zenderdiode 
(Spannungsteiler bestimmt den Spannungsabfall) für Wechselstrom 
hochohmig (die Reihenschaltung der beiden R's) Vorschlag: 2*100kOhm, 10 
µF.
mfG ingo

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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Peer schrieb:
> habe mal versucht einen Transkonduktanzverstärker (VC-OPV) mit LT Spice
> zu simulieren, um erstmal die Funktionsweise zu verstehen.

Was hat denn der mit dem Threadthema zu tun? Als Fotodiodenverstärker
werden Trans impedanz verstärker eingesetzt. Falls dich aber speziell
der LT1228 interessiert (der ist schon nicht ganz leicht zu verstehen),
bitte einen neuen Thread anfangen.

> Simu sagt aber nahzu 0mA.
> Wo liegt der Fehler?

Wo soll denn Iout hinfließen? Wenn an dem Pin nichts angeschlossen ist,
ist der Strom immer 0.

Autor: Ingo (Gast)
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Achso, in meinem Zweipol hatte ich noch einen Widerstand in der 
Emitterleitung vergessen, so in der Größenordnung 
Spannungsteilerwiderstände/h21e des Transistors, das wären im Beispiel 
einige 100 Ohm. Dadurch wird der Gleichstromwiderstand geringfügig, der 
Wechselstromwiderstand wesentlich größer.
mfG ingo

Autor: Cruze B. (bonuciness)
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Ich versuche immer noch den Gleichanteil meiner Schaltung vernünftig zu 
entfernen. Ich Hab das Ding mal als angehängt.
Der LT1397 ist ein CF-OPV als Transimpedanzverstärker damit der 
Spannungsabfall über der Diode(Ersatzschalbild in Simulation) möglichst 
Konstant bleibt. Die stromgesteuerte Stromquelle (F2) liefert einen 
positiven Strom im einstelligen uA Bereich.

Zu sehen ist das Signal (Sinus bei 30MHz) nach dem Hochpass mit 
Nulldurchgang. Hänge ich da nun an eine zweite Verstärkerstufe so geht 
das Signal bereits nicht mehr durch Null weder vor und nach dem 
Verstärker.

Der Grund weswegen der Gleichanteil raus muss ist, dass ich das Signal 
weiter verstärken bzw. auseinanderziehen muss. Ich meine damit sowohl 
positive Spannung und negative Spannung. Dies funktioniert aber nicht 
solange der Gleichanteil nicht vernünftig draussen ist.

gruß cruze

Autor: Simon K. (simon) Benutzerseite
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Falk Brunner schrieb:
> Die professionellen Schaltungen nehmen den klassischen
> Transimpedanzverstärker, siehe Lichtsensor / Helligkeitssensor.
>
> Dahinter kommt ein Tiefpass und eine zweite Verstärkerstufe, welche
> einen ENTGEGENGESETZTEN Strom parallel zur Photodiode einspeist. Diese
> Regelschleife sorgt dafür, dass selbst sehr starkes Gleichlicht
> vollständig kompensiert wird. Die Grenzfrequenz des Tiefpasses wird
> damit zur transformierten Grenzfrequenz des Hochpasses.

Kannst du da etwas mehr zu erzählen? Das interessiert mich auch im 
Moment. Auf das Problem, dass statische Einstrahlung (sei sie gewollt 
oder ungewollt) den Transimpedanzverstärker in die Sättigung treibt und 
man dann die Verstärkung so gering einstellen muss, dass man den 
(geringen) Wechselanteil gar nicht mehr gut mitverstärkt.

Wie muss der hintere OPAMP beschaltet sein? Also was soll der regeln?
Am sinnvollsten wäre ja, wenn er immer genau den Strom an dem (-) des 
TIA einspeist, der über die Fotodiode gegen Masse abgeführt wird. Außer, 
dass er das mit einem starken Tiefpassverhalten macht.
Ich verstehe schon ansatzweise, wie das funktionieren soll. Aber 
irgendwie muss man doch den Strom durch die Fotodiode wissen, wobei der 
Strom ja eigentlich gleich der Spannung am TIA-Ausgang ist.. Hm. Müsste 
man ja dann eigentlich die Ausgangsspannung des TIA auf 0V regeln im 
Arbeitspunkt, oder?

Autor: Simon K. (simon) Benutzerseite
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So könnte es funktionieren.
Bis ca. 20µA zugemixtem Gleichanteil sehen die Kurven fast identisch 
aus.

Die Bauteilwerte sind aber eher aus dem Bauch heraus. Da müsste man sich 
mal genau überlegen, wo man was einbaut. Zum Beispiel wieviel 
Verstärkung der hintere Regler haben soll.

Autor: Eddy Current (chrisi)
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Wenn man in die Gegenkopplung von U1 eine Spule schaltet, hat das ein 
verständlichere Wirkung wie das Gedöhns um U2 einschließlich 
Gegenkoppler R5. So ergibt das nur eine begrenzte Schleifenverstärkung 
für die DC-Regelung. Korrekter wäre ein echter Integrator mit U2, also 
einen dicken C in die Gegenkopplung von U2.

Autor: Simon K. (simon) Benutzerseite
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Eddy Current schrieb:
> Wenn man in die Gegenkopplung von U1 eine Spule schaltet, hat das ein
> verständlichere Wirkung wie das Gedöhns um U2 einschließlich
> Gegenkoppler R5.
Wo soll man denn da eine Spule einbauen? Soll die Spule dann den DC 
Current am "Messwiderstand" (R1) vorbeiführen?

> So ergibt das nur eine begrenzte Schleifenverstärkung
> für die DC-Regelung. Korrekter wäre ein echter Integrator mit U2, also
> einen dicken C in die Gegenkopplung von U2.
Was heißt Korrekter in dem Sinne?

Das die Schaltung oben nur bis zu max. 20µA DC-Anteil geht liegt 
übrigens daran, dass der hintere OPAMP am Anschlag ist. Ein Verringern 
von R5 löst das Problem und vergrößert den erlaubten DC Bereich.

Autor: Eddy Current (chrisi)
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Simon K. schrieb:
> Wo soll man denn da eine Spule einbauen? Soll die Spule dann den DC
> Current am "Messwiderstand" (R1) vorbeiführen?
Richtig. Parallel zu R1.

>> So ergibt das nur eine begrenzte Schleifenverstärkung
>> für die DC-Regelung. Korrekter wäre ein echter Integrator mit U2, also
>> einen dicken C in die Gegenkopplung von U2.
> Was heißt Korrekter in dem Sinne?
Mit einem Integrator läßt sich prinzipbedingt der DC-Pegel der Schaltung 
für "beliebige" Ströme der Fotodiode bei exakt 0V halten (wie mit der 
Spule). So hast Du mit höheren DC-Strömen in der Diode auch einen (wenn 
auch leichten) Spannungsanstieg am Ausgang von U1.

Ändere mal probeweise: R2=0, C2=0, R3 => C, 1µF, R4=10k

Autor: Simon K. (simon) Benutzerseite
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So? Der Strom durch den Einkopplungswiderstand R5 folgt dem Diodenstrom. 
Der Ausgang des TIAs verändert sich nur um wenige Millivolt. Ein 
größerer/kleinerer Kondensator verändert nicht viel.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@Simon K. (simon) Benutzerseite

>Wie muss der hintere OPAMP beschaltet sein?

Als PI-Regler.

>Also was soll der regeln?

Den Ausgang der ersten OPV auf Null.

>Am sinnvollsten wäre ja, wenn er immer genau den Strom an dem (-) des
>TIA einspeist, der über die Fotodiode gegen Masse abgeführt wird. Außer,
>dass er das mit einem starken Tiefpassverhalten macht.

Schrieb ich bereits.

>Ich verstehe schon ansatzweise, wie das funktionieren soll. Aber
>irgendwie muss man doch den Strom durch die Fotodiode wissen, wobei der
>Strom ja eigentlich gleich der Spannung am TIA-Ausgang ist..

Genau dort misst der 2. OPV auch.

> Hm. Müsste
>man ja dann eigentlich die Ausgangsspannung des TIA auf 0V regeln im
>Arbeitspunkt, oder?

Ja.

MfG
Falk

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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Ich habe auch einmal eine Schaltung zusammengepappt, die das üblicher-
weise angewandte Prinzip bei Fotodiodenverstärkern verdeutlicht. Sie
entspricht ziemlich genau der letzten Schaltung von Simon (war halt
etwas langsamer).

I1 stellt die Fotodiode dar, die ein Sinussignal empfängt (1µA
Amplitude), das von sehr hellem Tageslicht überlagert ist (3mA). U1
bildet mit R1 einen Strom-Spannungswandler mit einer Transimpedanz von
1MΩ. Normalerweise müsste dieser am Ausgang einen Gleichanteil von
3mA·1MΩ=3000V liefern. Dieser Gleichanteil wird kompensiert, indem das
Ausgangssignal tiefpassgefiltert (R2 und C1) und integriert wird (U2,
C1, R4). Der integrierte Gleichanteil wird mittels R3 in einen
proportionalen Strom umgewandelt, der nach einer kurzen Einschwingzeit
genauso groß wie der Gleichanteil von I1 (nämlich 3mA) ist, so dass am
Ausgang nur noch der Wechselanteil von I1 verstärkt um R1, also eine
Amplitude von 1µA·1MΩ=1V sichtbar ist. Die Schaltung ist so
dimensioniert, dass ein Anstieg des Gleichanteils von I1 von 3mA/s das
Ausgangssignal nicht nennenswert aus der Nulllage bringt.

Die Schaltung soll, wie gesagt, nur das Prinzip verdeutlichen. Für eine
höhere Bandbreite muss U1 durch einen schnellen Opamp ersetzt werden.
Bei höheren Frequenzen (>10MHz) macht sich irgendwann die Kapazität der
Fotodiode bandbreitenbegrenzend bemerkbar, was weitere Maßnahmen und
damit eine Erhöhung der Schaltungskomplexität erfordert.

Autor: Simon K. (simon) Benutzerseite
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Hmm.

Du hast jetzt einen Tiefpass und einen Integrator eingebaut. Hat das 
eine spezielle Bewandnis? Wofür ist der Integrator so wichtig? Soll das 
einen Regel-I-Anteil darstellen?
Was ich an der Schaltung gut finde ist, dass an U2 keine großartigen 
Anforderungen gestellt werden, da dessen Regelgrenzfrequenz (falls man 
das so nennen darf) ja extrem klein ist.

Aber mal eine andere Frage: Kommt so eine Fotodiode nicht auch 
irgendwann in einen Sättigungszustand?
Yalu hat ja immerhin 3mA DC Anteil an der Fotodiode eingerechnet.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Simon K. (simon) Benutzerseite

>Du hast jetzt einen Tiefpass und einen Integrator eingebaut.

Eigentlich reicht der Integrator.

>Was ich an der Schaltung gut finde ist, dass an U2 keine großartigen
>Anforderungen gestellt werden, da dessen Regelgrenzfrequenz (falls man
>das so nennen darf) ja extrem klein ist.

Das ist richtig.

>Aber mal eine andere Frage: Kommt so eine Fotodiode nicht auch
>irgendwann in einen Sättigungszustand?

Wenn man mit einem 100W Laser draufballer ;-)

>Yalu hat ja immerhin 3mA DC Anteil an der Fotodiode eingerechnet.

Das passt schon. Photodioden geben da mehrere Dekaden her.

MfG
Falk

Autor: Simon K. (simon) Benutzerseite
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Ok, gut. Leider kann ich die Sache mit dem Integrator nicht zum Laufen 
kriegen. Irgendwas stimmt da noch nicht, ich sehe aber nicht was.

Ich habe die Simulation mal angehangen. Die Schaltung ist fast die 
Gleiche, wie Yalus.

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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> Wofür ist der Integrator so wichtig? Soll das einen Regel-I-Anteil
> darstellen?

Ja, nur dadurch wird der verbleibende Regelfehler nahezu 0. Um dieses
Ziel ohne Integrator zu erreichen, müsste die Verstärkung im
Rückkopplungszweig sehr groß gemacht werden, was zum Schwingen der
Schaltung führt.

> Was ich an der Schaltung gut finde ist, dass an U2 keine großartigen
> Anforderungen gestellt werden, da dessen Regelgrenzfrequenz (falls man
> das so nennen darf) ja extrem klein ist.

Das ist einer der beiden Gründe, warum dem Integrator ein Tiefpass
vorangeschaltet wird. Der andere ist der, dass man ohne den Tiefpass die
Zeitkonstante des Integrator vergrößern müsste, um ein ähnlich glattes
Kompensationssignal zu erhalten, was aber die Reaktionszeit auf
Änderungen des (ungewollten) Streulichtanteils insgesamt verschlechtert.

> Yalu hat ja immerhin 3mA DC Anteil an der Fotodiode eingerechnet.

Das war ein Beispiel, um zu demonstrieren, dass da Verfahren auch mit
sehr großen Verhältnissen zwischen Gleich- und Nutzanteil des Signals
zurechtkommt. Du kannst natürlich gerne die Ströme um den Faktor 10 nach
unten skalieren.

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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Simon K. schrieb:
> Ok, gut. Leider kann ich die Sache mit dem Integrator nicht zum Laufen
> kriegen. Irgendwas stimmt da noch nicht, ich sehe aber nicht was.

Was steckt bei dir hinter den beiden Stromquellen? Ich würde gerne die
gleichen Signale in meine Schaltung einspeisen.

Die Schaltung habe ich in den Anhang gestellt, falls du Lust hast, damit
herumzuexperimentieren.

Autor: Simon K. (simon) Benutzerseite
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Yalu X. schrieb:
>> Wofür ist der Integrator so wichtig? Soll das einen Regel-I-Anteil
>> darstellen?
>
> Ja, nur dadurch wird der verbleibende Regelfehler nahezu 0. Um dieses
> Ziel ohne Integrator zu erreichen, müsste die Verstärkung im
> Rückkopplungszweig sehr groß gemacht werden, was zum Schwingen der
> Schaltung führt.
Jou, das ist ja der Klassiker, warum es I Regler gibt ;-)
Habe oben ja einen P Regler benutzt mit moderater Verstärkung. Hatte 
aber auch bloß 50µA Gleichanteil. Außerdem ist das immer so eine Sache 
mit Simulation und Realität. In der Realität fängt sowas ja immer 
schneller an zu schwingen wegen parasitären Cs/Ls.

>> Yalu hat ja immerhin 3mA DC Anteil an der Fotodiode eingerechnet.
>
> Das war ein Beispiel, um zu demonstrieren, dass da Verfahren auch mit
> sehr großen Verhältnissen zwischen Gleich- und Nutzanteil des Signals
> zurechtkommt. Du kannst natürlich gerne die Ströme um den Faktor 10 nach
> unten skalieren.

Okay. Ich war eher im positiven überrascht, weil ich mit der Schaltung 
dann selbst bei Streulichteinfall noch eine Veränderung gut wahrnehmen 
kann.

Noch eine Frage habe ich: Mit der Schaltung könnte man ja theoretisch 
auch mehrere Fotodioden parallel schalten um so ein 
hardwired-analoges-Oder zu bauen, oder?

Worum es mir geht ist: eine Lichtschranke über sehr kurzem Bereich um 
Projektile von Softair Waffen zu erfassen. Dabei wollte ich unter 
Umständen 3-4 Fotodioden benutzen, damit auf jeden Fall eine der 
mehreren Fotodioden das vorbeifliegende Projektil mitbekommt.

Das Signal, was ich einspeise ist das, was ich ca. erwarte von der 
Fotodiode, wenn ein Projektil vorbeikommt. Eigentlich müsste ich dafür 
ja eine negative Flanke machen, da die Lichtschranke ja unterbrochen 
wird, der Strom also kleiner. Aber ist ja nach der AC-Auskopplung nicht 
so wichtig.
Der Puls sieht so aus:
PULSE(0u 1u 10u 1u 1u 4u 100m)

Danke für deine Schaltung, ich probier mal herum.

EDIT: Sieht so aus, als benötigt der Integrator in der Schaltung eine 
symmetrische Spannungsversorgung.

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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Simon K. schrieb:
> Noch eine Frage habe ich: Mit der Schaltung könnte man ja theoretisch
> auch mehrere Fotodioden parallel schalten um so ein
> hardwired-analoges-Oder zu bauen, oder?

Klar geht das. Man muss nur berücksichtigen, dass sich damit auch ihre
Gesamtkapazität vervielfacht, was zu höherer Schwingneigung führt. Dem
kann man aber durch einen geeigneten Gegenkopplungskondensator (C1 in
deiner Schaltung) begegnen.

Ich habe in meine Schaltung mal den LT1211 eingesetzt, ohne am Signal
und der restlichen Schaltung etwas zu ändern. Wenn UIC in der Simulation
deaktiviert ist, passieren da ganz seltsame Dinge. Wenn UIC aktiviert
ist, bekomme ich zwar ein Ausgangssignal, dessen Amplitude aber zu
niedrig ist, obwohl der LT1211 ja schneller als der LT1013 ist.

Edit: Die seltsamen Dinge sind weg, keine Ahnung, was ich da vorher
simuliert habe. Und die zu niedrige Ausgangsamplitude lässt sich mit
einer größeren Zeitkonstante des Tiefpasses korrigieren. In der
Schaltung mit dem LT1013 wirkt dieser wegen seiner Trägheit selbst als
Tiefpass, deswegen hat es damit auch mit kleinerer Zeitkonstante
funktioniert.

Autor: Ingo W. (Gast)
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Hallo Zusammen!
Ich weis, es ist schwer, wenn man einen Weg eingeschlagen hat, nach 
links oder rechts zu schauen. Ich habe den Vorschlag, den ich heut 
Nachmittag gemacht habe mal simuliert: Ein Ruhegleichstrom von 10mA und 
ein Wechselstrom von 100µA über meine aktive Last, den Wechselanteil 
über Auskoppelkondensator an die Nutzlast von 10k-> nach etwa 0,1 
Sekunde hat sich der Gleichstrom "weggeregelt", und der Nutzwechselstrom 
kommt fast voll am Lastwiderstand an.
Nur so als Alternative - ingo

Autor: Ingo W. (Gast)
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Diese Datei sollte eigentlich noch mit ran, leider dafür das Bild 
zweimal, sorry - ingo

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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Ingo Wendler schrieb:
> Ich habe den Vorschlag, den ich heut Nachmittag gemacht habe mal
> simuliert:

Klar, das geht natürlich auch. Die aufwendigere TIA-Schaltung spielt
ihren Vorteil erst bei höheren Frequenzen aus: Dadurch, dass die
Spannung an der Fotodiode konstant auf etwa 0V gehalten wird, macht sich
deren Kapazität nicht so stark bemerkbar. Bei deiner Schaltung ändert
sich die Spannung mit dem Strom, so dass höhere Frequenzen bzw. kurze
Impulse u.U. schon zu einem Großteil durch die eigene Kapazität der
Fotodiode verschluckt werden.

Oder anders ausgedrückt: Der Eingangswiderstand deiner Schaltung von
etwa 8,5kΩ bildet zusammen mit der Fotodiodenkapazität eine Tiefpass.
Der Eingangswiderstand der TIA-Schaltung ist deutlich niedriger (beim
idealen Opamp sogar 0).

Trotzdem finde ich deinen Zweipol als Spulenersatz sehr interessant. Ich
kannte diese Schaltung noch nicht.

Autor: Ingo W. (Gast)
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Klar, wenn die Fotodiode den Strom selber liefert, geht's so natürlich 
nicht, immer je nach Anwendungsfall die geeignete Lösung suchen. Weil 
Eure, vom Integrator gesteuerte Konstantstromquelle ja das gleiche 
macht, allerdings schon ab 0 Volt. Mir hats auch was gebracht, jetzt hab 
ich mal ein wenig mit LTspice gespielt. Hat da vorhin ein Mod das 
überflüssige Bild ausgehängt? Im Zweifelsfalle Danke dafür und gute 
Nacht allerseits.
ingo

Autor: Eddy Current (chrisi)
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Zweipol: Pfiffig/Merke ich mir. Bei der Opamp-Schaltung ist anzumerken, 
dass das Rauschen durch die Gegenkopplung in den Transimpedanzverstärker 
stark angehoben wird. (Yalu's Schaltung) R1/R3 bilden einen 
Spannungsverstärker 1000. Ohne R3 arbeitet die Gegenkopplung von U1 
gegen eine Stromquelle (Fotodiode).

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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Eddy Current schrieb:
> Bei der Opamp-Schaltung ist anzumerken, dass das Rauschen durch die
> Gegenkopplung in den Transimpedanzverstärker stark angehoben wird.
> (Yalu's Schaltung) R1/R3 bilden einen Spannungsverstärker 1000.

Stimmt. Einen größeren Teil des Rauschens bekommt man evtl. dadurch weg,
dass man von der Mitte von R3 einen Kondensator nach GND legt. Ich habe
jetzt allerdings nicht nachgeprüft, ob das nicht möglicherweise Schwin-
gungsdünger ist.

Bei den Anwendungen, die ich bisher hatte, war das Rauschen aber kein
großes Problem, da das Ausgangssignal der Schaltung schmalbandig weiter-
verarbeitet wurde.

Autor: Peer (Gast)
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Yalu schrieb:

> Was hat denn der mit dem Threadthema zu tun?

Falk schrieb:

> Dahinter kommt ein Tiefpass und eine zweite Verstärkerstufe, welche
> einen ENTGEGENGESETZTEN Strom parallel zur Photodiode einspeist

Aufgrund dieses Vorschlages von Falk hatte ich mir überlegt, wie man 
eine entgegengesetzten Strom erzeugen kann. Deshalb kam ich auf den 
LT1228. Gut, hätte man auch einen kleinen Satz darüber verlieren könnte 
aber ich dachte für einen aufmerksamen Leser wäre das klar:-).

Apropos aufmerksam: das der Ausgangswiderstand ist natürlich nicht 
entschuldbar:-(.

Gruß Peer

Autor: Peer (Gast)
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ups:

Ausgangswiderstand fehlt, ist

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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Peer schrieb:
> Aufgrund dieses Vorschlages von Falk hatte ich mir überlegt, wie man
> eine entgegengesetzten Strom erzeugen kann. Deshalb kam ich auf den
> LT1228.

Achso, ok, das habe ich missverstanden. Da ein Fotodiodenverstärker ja
einen Strom in eine Spannung umwandeln soll, fragte ich mich erst, wozu
ein Transkonduktanzverstärker, der genau andersherum arbeitet, gut sein
soll.

Autor: Hagen Re (hagen)
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Also ich würde diese Schaltung empfehlen. Die GBW beider OpAmps 
multiplizieren sich im Idealfall und somit erzielt man eine größere 
Bandbreite.

Allerdings halte ich den LT1013 für absolut ungeeignet, es sei denn man 
möchte bei <1KHz bleiben. Mal den OPA380 anschauen.

Gruß Hagen

Autor: Hagen Re (hagen)
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Oder diese mit einem besseren OpAmp.

Mit reduziertem Gain (100000) erzielt man 100dB bei 278kHz 
Mittenfrequenz mit -3dB Bandbreite von 680kHz und 
Gleichstromunterdrückung von 3mA Photostom (rund 120kLux=sehr helles 
Sonnenlicht). 0dB Cutoff liegt bei ~1Hz.
Und das im Single Supply.

Gruß Hagen

Autor: Hagen Re (hagen)
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Wenn man zB. mit gepulsten Signalen arbeiten und die nachfolgende 
Filterung/Dekodierung einfach halten möcte so sollte man sich nicht nur 
auf die maximale Verstärkung sondern eben auch auf die Bandbreite 
konzentieren.

Ein 200kHz Signal mit 20% Dutycycle sieht mit der letzten Schaltung so 
aus wie im Attachment.

Gruß Hagen

Autor: Cruze B. (bonuciness)
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Muss schon sagen sehr interessant. Weiß vll. noch jemand bis zu welchen 
frequenzen das so hinhaut? Bei dem üblichen TIA liegt der U+ ja 
normalerweise an Masse und der Ausgang wird auf den invertierenden 
Eingang zurückgekoppelt. Wenn ich das richtig verstanden habe ist der 
Knotenpunkt vor U- daher virtuell Null, bzw. der TIA regelt ihn auf 
null, so dass am Ausgang eine zum Photostrom propertionale Spannung 
abfällt und zudem die Spannung über der Diode relativ konstant bleibt. 
Die Vorteile dieser Beschaltung sind hier sehr schön nachzuvollziehen:

http://www.national.com/onlineseminar/2004/photodi...

Ich frage mich nur gerade ob obige Schaltungen überhaupt für eine weite 
Bandbreite im zweistelligen MHz-Bereich in Frage kommen würde, oder ob 
ich lieber den klassischen TIA mit anschließender Verstärkung einsetze.

Autor: Hagen Re (hagen)
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1. Regel beim Photodioden-TIA lautet: verstärke im TIA so stark wie 
möglich da du nur so das Rauschen am besten in den Griff bekommst. Jede 
nachfolgende, nicht selektive Verstärkung wird den SNR der gesammten 
Schaltung verschlechtern. Man verstärkt im TIA das Rauschen in Relation 
zum Gain weniger als bei in nachgeschalteten Verstärkungsstufen.

Die letzte Schaltung von mir kann man so dimensionieren das sich das GBW 
beider Opamps multipliziert. Ergo viel höhere Bandbreiten sind machbar 
bei geringerer GBW pro Opamp.

Es hängt nun sehr stark von deiner Anwendung und der Art der Modulation 
und Demodulation deiner Signale ab. Dimensionierst du den TIA zu 
schmalbandig mit zu hohem Gain dann ziehst du dir quasi alle Störsignale 
in dein Nutzsignal mit rein. Ich dimensioniere das dann immer so das zb. 
bei einem 100kHz Signal die -3dB Bandbreite minimal 200kHz groß ist. Die 
Schaltung zur Eleminierung des DC Anteiles benötigt man ja meistens in 
einem Einsatzgebiet wo nicht nur Tageslicht störend ist sondern zb. auch 
Neonröhren, IR-Fernbedienugen und andere störende modulierte 
Lichtquellen. Mit der DC Unterdrückung hat man also erst die halbe Miete 
drinnen.
Am Anfang meiner Experimente machte ich auch den fehler den TIA mit sehr 
hohem gain sehr schmalbandig auszulegen. Das führte dann zb. dazu das er 
auf 500kHz Mittenfrequenz mit 10kHz Bandbreite dimensioniert wurde. Und 
alle 40-50kHz IR-fernbedienungen störten dann so stark rein das ich die 
Signal nicht mehr korrekt auswerten konnte. Wie gesagt: das hängt auch 
von der Art&Weise deiner Signal, Modulation und Demodulation ab.

>Muss schon sagen sehr interessant. Weiß vll. noch jemand bis zu welchen
>frequenzen das so hinhaut?

Hängt vom GBW und Stromrauschen deiner Opamps ab, dem gewünschten Gain, 
von der Kapazität deiner Photodioden und wenn das alles sauber ist dann 
vom Dunkelstrom und Innenwiderstand und damit Rauschen der Photodioden.

Gute Photodioden-TIAs entwickelt man nicht mal eben so.

Gruß Hagen

Autor: Hagen Re (hagen)
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>Ich frage mich nur gerade ob obige Schaltungen überhaupt für eine weite
>Bandbreite im zweistelligen MHz-Bereich in Frage kommen würde...

Sowas mit großer Verstärkung kenne ich nur im teildiskreten Aufbau. Die 
Eingangstufe besteht dann meistens aus 2-3 disktreten FETs mit 
anschließendem TIA.

Gruß Hagen

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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@Hagen Re:

Vielen Dank für deinen interessanten Schaltungsvorschlag, den ich so
noch nicht kannte. Ein paar Dinge habe ich aber nicht ganz verstanden:

Hagen Re schrieb:
> Die GBW beider OpAmps multiplizieren sich im Idealfall und somit
> erzielt man eine größere Bandbreite.

Wie ist das zu verstehen? Einfach die GBWs multiplizieren geht ja nicht.
Verhält sich deine Schaltung bandbreitenmäßig vielleicht ähnlich wie ein
zweistufiger Verstärker aus zwei Opamps, wo jeder von beiden nur die
Wurzel der Gesamtverstärkung bewältigen muss, was ja die Bandbreite
deutlich steigert?

> Mit reduziertem Gain (100000) erzielt man 100dB bei 278kHz
> Mittenfrequenz mit -3dB Bandbreite von 680kHz und

Wenn ich in meiner Schaltung von oben den LT1013 durch den OPA365
ersetze und sie so dimensioniere, das die Verstärkung und die untere
Grenzfrequenz mit deiner Schaltung übereinstimmen, erhalte ich etwa die
gleiche obere Grenzfrequenz (720kHz), wobei in der Gegenkopplung auch
ein deutlich langsamerer Opamp eingesetzt werden kann.

> Die letzte Schaltung von mir kann man so dimensionieren das sich das GBW
> beider Opamps multipliziert. Ergo viel höhere Bandbreiten sind machbar
> bei geringerer GBW pro Opamp.

Das klingt interessant. Wieviel Steigerung ist da in etwa möglich? Und
was sind die Nachteile? Mir kommt spontan nur der Gedanke, C2 zu
verringern, so dass die untere Grenzfrequenz der Schaltung angehoben
wird. Damit kann ich die obere Grenzfrequenz auf knapp 900MHz anheben,
allerdings ist die Schaltung dann schmalbandiger, was man nicht immer
möchte.

> Am Anfang meiner Experimente machte ich auch den fehler den TIA mit sehr
> hohem gain sehr schmalbandig auszulegen. Das führte dann zb. dazu das er
> auf 500kHz Mittenfrequenz mit 10kHz Bandbreite dimensioniert wurde. Und
> alle 40-50kHz IR-fernbedienungen störten dann so stark rein das ich die
> Signal nicht mehr korrekt auswerten konnte.

Das verstehe ich jetzt überhaupt nicht. Wieso stören die 50kHz-Quellen
stärker, wenn du den Verstärker schmalbandiger auslegst? Genau das
Gegenteil sollte doch der Fall sein. Oder war dein Nutzsignal so
breitbandig, dass durch den schmalbandigen Verstärker zuviel davon
weggeschnitten wurde?

Autor: Cruze B. (bonuciness)
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>Es hängt nun sehr stark von deiner Anwendung und der Art der Modulation
>und Demodulation deiner Signale ab. Dimensionierst du den TIA zu
>schmalbandig mit zu hohem Gain dann ziehst du dir quasi alle Störsignale
>in dein Nutzsignal mit rein.

Meine Anwendung überträgt die Signale schmalbandig auf einer Vielzahl 
von Trägern in einem Frequenzbereichbereich von ca. 2-30MHz. Die 
Modulation und Demodulation ist relativ aufwendig und beinhaltet auch 
eine Vorwärtsfehlerkorrektur. Mein Problem besteht nun darin, einen 
vernünftigen Kompromiss zwischen Verstärkung und Bandbreite zu finden.

Autor: tobi (Gast)
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Autor: Hagen Re (hagen)
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>Das verstehe ich jetzt überhaupt nicht. Wieso stören die 50kHz-Quellen
>stärker, wenn du den Verstärker schmalbandiger auslegst? Genau das
>Gegenteil sollte doch der Fall sein. Oder war dein Nutzsignal so
>breitbandig, dass durch den schmalbandigen Verstärker zuviel davon
>weggeschnitten wurde?

Simuliere mal in deiner Schaltung folgendes:
1. schraube den Gain enorm hoch, zb. 10M Gain bei 100kHz mit 10kHz -3dB 
Bandbreite
2. füttere die Signalquelle mit 10KHz Rechtecksignal

Du solltest dann in der Simulation sehen das bei steigender und 
fallender Flanke des 10KHz Signales am Ausgang ein 100kHz Nachschwingen 
produziert. Der TIA ist überdimensioniert und arbeitet wie ein 
Quarz/Qlocke mit hoher sehr Güte. Der TIA arbeitet eben nicht als 
Bandpass-Filter sondern wird angeregt, schwingt sich ein und schwingt 
nach.

Das ist besonders dann der Fall wenn man per Induktivität im 
Feedbackzweig eines einstufigen TIAs die gleiche DC-Unterdrückung baut. 
Man kann mit einem Opamp und Spule mit geringer Güte im Feedbackzweig 
ebenfalls eine aktive DC Untrdrückung bauen.

Gruß Hagen

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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Hagen Re schrieb:
> Du solltest dann in der Simulation sehen das bei steigender und
> fallender Flanke des 10KHz Signales am Ausgang ein 100kHz Nachschwingen
> produziert.

Dann habe ich eine Resonanz im Verstärker, also eine starke Überhöhung
des Frequenzgangs bei den 100kHz verbunden mit einer starken Phasenände-
rung. Man kann damit zwar riesige Verstärkungen erzielen, aber eben nur
bei dieser einen Frequenz. Bewegen sich Signal- und Resonanzfrequenz nur
leicht auseinander (bspw. auf Grund von Temperaturänderungen), hat dies
starke Änderungen in der Verstärkung und Phasenverschiebung zur Folge,
was fast immer unerwünscht ist. Und das andere unerwünschte Symptom ist
eben das Nachschwingen.

Ich lege Verstärker deswegen grundsätzlich so aus, dass der Frequenzgang
im Bereich der interessierenden Frequenzen (und damit der maximalen Ver-
stärkung) ein mehr oder weniger breites Plateau aufweist, das mindestens
so breit ist wie die durch Bauteiltoleranzen und -driften zu erwartenden
Verschiebungen des Frequenzgangs.

Als du schriebst

> Am Anfang meiner Experimente machte ich auch den fehler den TIA mit sehr
> hohem gain sehr schmalbandig auszulegen.

dachte ich nicht gleich an sooo schmalbandig :)

Autor: Hagen Re (hagen)
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Naja, damals war mein Ziel mit einem OpAmp plus Induktor im Feedback 
einen TIA mit starker DC Unterdrückung zu konstruieren. Dort trat das 
Problem natürlich sehr extrem auf. Wobei ich sagen muß das man es auch 
damit nach vielen Simulationen und praktischen Experimenten dann 
befriedigend zum Laufen bekommen kann.

Gruß Hagen

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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Wie du oben schon schriebst, ist es nicht ganz leicht, einen Fotodioden-
verstärker mit guter DC-Unterdrückung zu bauen, der im >10MHz-Bereich
noch zuverlässig arbeitet. Nicht umsonst sind ganze Bücher über dieses
Thema geschrieben worden :)

Was mich jetzt aber doch noch interessieren würde: Wie gelingt es dir,
deine obige Schaltung so zu optimieren, dass sich die GBWs der beiden
Opamps multiplizieren?

Autor: Simon K. (simon) Benutzerseite
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Ich habe mich die letzten Tage noch mal damit beschäftigt. Wie gesagt, 
ich versuche die Geschwindigkeit von SoftAir Kugeln zu erfassen und 
möchte mir dafür Lichtschranken bauen.

Dafür wollte ich so einen AC-gekoppelten TIA nehmen. Die Pulsbreite 
müsste etwa 5µs sein. Besser wäre noch weniger.

Dabei versuche ich die angehängte Schaltung auf Single Supply umzubauen. 
Allerdings will mir das einfach nicht gelingen. Ich versuche beim TIA 
einen Bias an den Eingängen hinzuzufügen (V0) um dies zu ermöglichen. 
Aber irgendwas wird man mit dem hinteren Integrator noch machen müssen. 
Der läuft immer in die Begrenzung und "absorbiert" den kompletten 
Fotodiodenstrom am Eingang, sodass der TIA ("out") nahe 0V bleibt.

Vielleicht kann mir ja jemand einen Tipp geben.

PS: Hagens Schaltung habe ich nach wie vor nicht verstanden ;-)

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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Simon K. schrieb:
> Aber irgendwas wird man mit dem hinteren Integrator noch machen müssen.

Das untere Ende von R4 muss ebenfalls angehoben werden, damit der
Integrierer in beide Richtungen arbeiten kann. Schließ R4 mal an V0 an
und schau, was passiert.

Autor: Simon K. (simon) Benutzerseite
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Jup, das war's :-) Der LT1022 ist aber kein Rail To Rail ist mir gerade 
aufgefallen, nachdem ich nen paar Minuten nach dem Fehler gesucht habe. 
In echt nehme ich den CA3130. Der sollte mit 5V funktionieren.

Autor: Peter Funke (toto)
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2. Photodiode, die nur dem Umgebungslicht(nicht dem Signal) ausgesetzt 
ist, antiparallel schalten?

Ist zwar wohl nicht mehr aktuell, aber müsste doch gehen?

Autor: Joe F. (easylife)
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Das Fünfjährige hättest du aber ruhig noch abwarten können.

Autor: Andreas Gruber (mrperfekt)
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Peter F. schrieb:
> 2. Photodiode, die nur dem Umgebungslicht(nicht dem Signal)
> ausgesetzt
> ist, antiparallel schalten?
>
> Ist zwar wohl nicht mehr aktuell, aber müsste doch gehen?

Danke
Diese Lösung funktioniert bei mir.
Der Integrator funktioniert bei mir nicht.
Auch wenn es Reamer wahrscheinlich nicht mehr interessiert, vielleicht 
haben ja andere was davon.

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