Hallo Zusammen,
Ich habe schon viel in eurem Forum gelesen und möchte jetzt selbst
einmal etwas fragen. Zwar geht es darum den Strom einer Photodiode zu
messen. In dem Bereich den ich messen möchte liegt der Strom zwischen 0
und 18nA. Das ist ziemlich wenig darum bin ich etwas unsicher wie ich
das am besten anstelle.
Ich würde jetzt einen standart Integrierer bauen mit einem LMP2231 [1]
Operationverstärker und einem 1.5nF Film Kondensator mit ≥3GOhm
isolations Widderstand [2]. Positiver Eingang des OP auf Ground und
zwischen negativem Eingang des OP und Ground die Photodiode.
Integriert würde dann etwa 100mSec und der Ausgang des
Operationsverstärkers wird dann mit einem Mikrokontroller A/D gewandelt.
Was meint ihr zu dieser Vorgehensweise und zur Wahl der Bauteile?
Alternativ zum Integrierer könnte ich auch einen Transimpedanzkonverter
benutzen, aber da ich sowiso nur am Mittelwert interessiert bin, denke
ich, dass ich mit dem Integrierer die genaueren Messwerte erhalte. Mit
dem Transimpedanzkonverter müsste ich etwa 100 millionen Fach verstärken
was wahrscheinlich ein ziemliches Rauschen produzieren würde. Ausserdem
habe ich beim Integrierer die Möglichkeit die Integrationszeit
anzupassen um bei geringen Lichtstärken genauere Resultate zu erzielen.
Es ist sehr wichtig die Schaltung auf einer möglichst kleinen Fläche zu
realisieren und mit möglichst geringem Stromverbrauch. (Betrieb mit
Knopfzelle). Darum würde ich die Stromversorgung zum OpAmp per
Mikrokontroller ein und ausschalten. (Es wird nur etwa 1 Messwert pro
Minute gebraucht). Ausserdem habe ich vor, wärenddem der OpAmp
ausgeschaltet ist, die Kondensatoren des Integrierers zu entladen indem
ich die entsprechenden Pins am Mikrocontroller auf low ziehe. Damit
spare ich mir den Analogen Schalter als extra Bauteil.
Mir scheint, dass das funktionieren sollte, oder seht ihr darin mögliche
Probleme?
Ich bin mit analog Schaltungen nicht sehr vertraut und speziell nicht
mit so kleinen Strömen. Gibt es Dinge die ich dabei speziell beachten
muss?
ich würde mich über jede Rückmeldung freuen!
Viele Grüsse
Christian
[1] http://www.national.com/pf/LM/LMP2231.htm
[2]
http://search.digikey.com/us/en/products/ECH-U1C152GX5/PCF1455CT-ND/431718
> Was meint ihr zu dieser Vorgehensweise und zur Wahl der Bauteile?
Klingt vernünftig.
Wie löscht du den Integrier-Kondensator ohne zu hohe Kapazität ud
Leckströme ?
Durch wegnehmen der Versorgungsspannung und warten ?
Es gabe noch das dual slope Prinzip, um Abweichungen auszugleichen.
@hansilein:
Das scheint ein interessanter Chip zu sein, leider steht aber die
Photodiode die ich verwende will fest...
@MaWin:
Ich lösche den Integrier-Kondensator indem ich den Eingang zum ADC beim
Mikrocontroller als digitalen Ausgang setzte und auf low ziehe. Oder
meinst du eine Minute würde ausreichen um den Kondensator über
Leckströme zu entladen?
Das Dual-Slope Prinzip habe ich mir auch schnell angeschaut aber ich
glaube das ist für meinen Fall nicht geigent da zuviel zusätzliche
Bauteile verwendet würden. (Platz ist sehr begrenzt...)
Ich würde keinen Integrierer verwenden, sondern einen normalen
Transimpedanzverstärker mit >10M Widerstand in der Gegenkopplung und
einen optimierten "phase lead" Cap parallel dazu.
Rauschen dürfte in deinem Fall kein Problem sein, wenn es sich um ein
DC-Signal handelt, da du hintendran tiefpaßfiltern kannst. Du bist ja
sowieso nur am Mittelwert interssiert? Eventuell kannst du den phase
lead Cap ja groß genug machen und brauchst dann kein zusätzliches
Tiefpaßfilter.
>Ich lösche den Integrier-Kondensator indem ich den Eingang zum ADC beim>Mikrocontroller als digitalen Ausgang setzte und auf low ziehe.
Das wird so nicht funktionieren, weil du dann immer noch gewisse
undefinierte Restspannungen hast.
>Oder meinst du eine Minute würde ausreichen um den Kondensator über>Leckströme zu entladen?
Deswegen ist der Transimpedanzverstärker besser, weil er von Hause aus
einen Entladungswiderstand hat.
> Ich lösche den Integrier-Kondensator indem ich den Eingang zum ADC beim> Mikrocontroller als digitalen Ausgang setzte und auf low ziehe.
Dann arbeitet also OpAmp Ausgang un uC-Ausgang gegeneinander ?
Oder ist dann der OpAmp Versorgungsmässig abgeschaltet ?
@Foti:
Danke für die Bemerkungen, ich werde mir die Sache mit dem Integrierer
also noch einmal überlegen.
Gemäss Datenblatt hat ein Digitaler Ausgang auf Low einen Wert zwischen
0 und 0.5V, das ist in der Tat ziemlich viel, ich müsste also
offensichtlich einen Analogen Schalter verwenden.
@MaWi:
Der OP würde wärend dem Entladen natürlich ausgeschaltet...
>Gemäss Datenblatt hat ein Digitaler Ausgang auf Low einen Wert zwischen>0 und 0.5V, das ist in der Tat ziemlich viel, ich müsste also>offensichtlich einen Analogen Schalter verwenden.
Aber auch damit könntest du den Integrationscap nicht vollständig
entladen, weil pn-Übergänge im OPamp und der Fotodiode unweigerlich
Restspannungen bewirken.
Hallo,
von national gibt es einen OP, den LMC662, mit einem input bias current
von max. 2 fA. Man wird es kaum nachmessen können. Damit einen
Strom-Spannungswandler aufbauen mit T-Netzwerk im Rückkoppelzweig. Dann
werden die Widerstände nicht so irre groß. (Siehe Anhang) Hab gute
Erfahrungen mit dem Ding. Im Schaltbild fehlt natürlich Betriebspannung,
Offset-Abgleich etc..
Dann braucht man den Aufwand mit dem Integrator nicht treiben. Auf einen
sauberen Aufbau (Teflonabstützungen, Guarding... ) muß man bei solchen
Strömen immer achten, ob nun Integrator oder I-U_Wandler.
Vielleicht hilft die Idee ja weiter.
Gruß
Marcus
@Marcus: Der Bias Strom vom LMC662 sieht in der Tat interessant aus,
aber er ist deutlich grösser als der LMP2231 und hat einen deutlich
höheren (Faktor 100) versorgungs Strom. Der LMP2231 hat auch einen bias
Strom von nur 50fA, ich denke das sollte für meinen Zweck ausreichen?
Die Schaltung mit dem T-Netzwerk habe ich noch nie gesehen, werde ich
mir näher anschauen.
@Christian L:
Versorgungsspannung liegt je nach Entladung der Knopfzelle zwischen 3
und 2 Volt, also leider nicht geeignet.
>@Marcus: Der Bias Strom vom LMC662 sieht in der Tat interessant aus,>aber er ist deutlich grösser als der LMP2231 und hat einen deutlich>höheren (Faktor 100) versorgungs Strom. Der LMP2231 hat auch einen bias>Strom von nur 50fA, ich denke das sollte für meinen Zweck ausreichen?
Das sind theoretische Ströme, die du in der Praxis selten erreichst.
Alles unter rund 1pA ist mit einem normalen Aufbau (Epoxid-Platine,
etc.) mehr oder weniger Glücksache.
>Die Schaltung mit dem T-Netzwerk habe ich noch nie gesehen, werde ich>mir näher anschauen.
Ist z.B. hier erläutert:
http://www.datasheetcatalog.org/datasheets/208/147471_DS.pdf
Diese Methode hat aber auch Nachteile. Bis 10M und teilweise darüber
gibt es heute aber sehr gute, rausch- und driftarme Widerstände.
Das T-Netzwerk hat den Vorteil, niederohmigere Widerstände zuzulassen
und damit schnellere TIA bauen zu können. Der Nachteil ist, dass du die
Offsetspannung des OPA um den Faktor R1/R2 verstärkst!
Christian schrieb:> Die Schaltung mit dem T-Netzwerk habe ich noch nie gesehen, werde ich> mir näher anschauen.
Ich war vor kurzem auf einem Seminar von TI, dort war u.a. ein Vortrag
über Strommessung.
Laut dem Vortrgenden ist dieses T-Netzwerk heute nicht mehr Zeitgemäß,
da dadurch die Rausch-Spannung deutlich anstiegt. Diese Schaltung wurde
früher hauptsächlich deshalb verwendet, weil hochohmige Widerstände
damals ziemlich teuer waren.
Dort wurde auch der ACF2101 vorgestellt; der enthält zwei Integrierer
und alle notwendigen Analogschalter; der könnte vielleicht für deine
Anwendung passen.
Hier gibts den Vortrag als PDF, vielleicht kannst Du da ein paar Ideen
rausholen: http://www-s.ti.com/sc/techlit/szzp051.zip,
Das File heist: "Track 1 Session 2 Strommessung Olaf Escher.pdf"
nicht "Gast" schrieb:> Der Nachteil ist, dass du die> Offsetspannung des OPA um den Faktor R1/R2 verstärkst!
Und auch das Rauschen...
Wenn man die Schaltung mit dem Integrierer wählt, kann man das Entladen
auch über die Photodiode in Durchlassrichtung machen. Man kann dazu z.B.
die Spannung am nichtinvertieren Eingang Umschalten. Dadurch braucht man
keinen Analogschalter oder zusätzliches Element am kritischen
invertierenden Eingang. Eine andere recht empfindliche Schaltung nutzt
den Strom einer 2. Photodiode aus einem Optokoppler zur Kompensation,
ggf. sogar gleich als Teil der A/D Wandlung.
Bei der Wahl des OP ist der Bias Strom nur ein Parameter wichtig sind
auch das Rauschen und die Drift des Bias Stromes. Gerade die OPs mit
kleinem Bias haben oft ein recht hohes 1/f Rauschen. Ein Strom im nA
Bereich ist noch nicht wirklich klein und braucht noch keine so extremen
Maßnahmen.
Vor vielen Jahren (ca. 25), haben wir schon Verstärker und I-U Wandler
für
den nA-Bereich gebaut, da wurden sehr gerne die 7650-Chopper-Op-Amps
von Intersil verwendet. Ob für Elektrochemische Sensoren oder
Photo-Dioden,
ging beides. Die heutigen Chopper-Op-Amps sind noch weiter verbessert
worden, einfach mal bei Linear.com schauen. Das Ganze dann auf Teflon-
Platinen aufbauen, unf gut ist es. (100pA Auflösung war damals machbar)
Leute, machts doch nicht so kompliziert. Um 18nA auf 5V zu wandeln,
reicht eine Gegenkopplung von 27Mohm. Das ist durchaus noch machbar,
wenn man beim Layout nicht groben Blödsinn macht. Oder man nimmt 10Mohm
Gegenkopplung und verstärkt nochmal um 2,7.
Da langsam gemessen werden soll, gibt es keine Probleme mit dem
Rauschen. Und OPVs mit ausreichend kleinem Offset und Input-Bias gibt es
reichlich, z.B. den OPA380, der aber vlt schon zu gut ist.
Für die Messgrenze wäre eher mal interessant, was für einen Dunkelstrom
die PD hat.
Also nimm einen TIA, platziere den dicht an der PD, leg einen Guardring
und wasch die Platine (Epoxy, kein Hartpapier) nach dem Löten. Das Ganze
Geraffel mit Ladekondensator, Timing, Entladezyklen kannst Du Dir
sparen. Spannung anlegen, Licht drauf und Du hast sofort ein
verwertbares Signal.
Christian schrieb:> müsste ich etwa 100 millionen Fach verstärken
und 3 Äpfel sind 200 Birnen...
@Ulrich:
> Wenn man die Schaltung mit dem Integrierer wählt, kann man das Entladen> auch über die Photodiode in Durchlassrichtung machen. Man kann dazu z.B.> die Spannung am nichtinvertieren Eingang Umschalten. Dadurch braucht man> keinen Analogschalter oder zusätzliches Element am kritischen> invertierenden Eingang.
Die Idee gefällt mir, aber nach etwas nachdenken sind mir zwei Probleme
aufgefallen: Erstens kann ich den Kondensator so auch nur bis auf die
Vorwärtsspannung der Photodiode entladen (das wird wohl >0.1 Volt sein)
und zweitens habe ich dann unter umständen kurze Zeit einen recht
grossen vorwärts-Strom durch die Diode was die glaube ich nicht so
mögen.
@Timm Thaler:
> Leute, machts doch nicht so kompliziert. Um 18nA auf 5V zu wandeln,> reicht eine Gegenkopplung von 27Mohm. Das ist durchaus noch machbar,> wenn man beim Layout nicht groben Blödsinn macht. Oder man nimmt 10Mohm> Gegenkopplung und verstärkt nochmal um 2,7.
meiner Rechnung nach sind es 110MOhm um auf 2 Volt zu wandeln.
Und zwei mal Verstärken will ich lieber nicht da ich dann zwei OP
brauche und der Platz auf dem PCB ist sehr rar...
> Und OPVs mit ausreichend kleinem Offset und Input-Bias gibt es> reichlich, z.B. den OPA380, der aber vlt schon zu gut ist.
die meisten wie zB. auch der OPA380 fallen aber wegg, wegen zu hohem
Stromverbrauch und zu hoher Versorgungspannung oder zu grossem
Gehäuse...
> > müsste ich etwa 100 millionen Fach verstärken> und 3 Äpfel sind 200 Birnen...
ich brauche einen Widderstand im Transimpedanzverstärker von 110MOhm
dieser Wert wird oft als Verstärkungsfaktor bezeichnet, ich verstärke
also etwa 100M fach wobei M=mega=millionen, wo bitte sind hier die Äpfel
und wo die Birnen?
Noch eine kleine Ergänzung dazu warum ich den Integrierer toll finde:
Der Strom liegt wie gesagt zwischen 0 und 18nA. Dabei ist aber 18nA der
absolute Maximalwert den ich noch messen können muss. Die meiste Zeit
liegt aber das Signal im untersten Viertel davon. Mit dem Integrierer
kann ich nun einfach die Interationslänge varieren um immer mehr oder
weniger den gesamten Bereich des ADC zu nutzen, ich habe also eine
besser Auflösung bei kleinen Lichtintensitäten und eine gröbere bei
grossen Lichtintensitäten was für meine Anwendung sehr vorteilhaft ist.
>Die Idee gefällt mir, aber nach etwas nachdenken sind mir zwei Probleme>aufgefallen: Erstens kann ich den Kondensator so auch nur bis auf die>Vorwärtsspannung der Photodiode entladen (das wird wohl >0.1 Volt sein)...
Sind wahrscheinlich deutlich mehr, also so rund 0,3...0,4V.
>meiner Rechnung nach sind es 110MOhm um auf 2 Volt zu wandeln.>Und zwei mal Verstärken will ich lieber nicht da ich dann zwei OP>brauche und der Platz auf dem PCB ist sehr rar...
Also, wenn du nicht die Freiheit hast, noch mal nachzuverstärken, wobei
ein Doppel-OPamp ja praktisch keinen zusätzlichen Platz wegnimmt, dann
kannst du das Projekt sowieso vergessen.
Diese "Platzprobleme" sind oft nur vorgeschoben. Oft ist der Entwickler
auch einfach nur zu faul oder zu stier, neue Wege zu gehen und verwendet
die Platzprobleme als Ausrede.
>ich brauche einen Widderstand im Transimpedanzverstärker von 110MOhm>dieser Wert wird oft als Verstärkungsfaktor bezeichnet, ich verstärke>also etwa 100M fach wobei M=mega=millionen, wo bitte sind hier die Äpfel>und wo die Birnen?
Nein, bei einem Transimpedanzverstärker gibt es so etwas wie
"Verstärkung" nicht. Dort nennt man das "Transimpedanz" und gibt das
Verhältnis von Ausgangsspannung zu Eingangsstrom an. Hier von einer
Verstärkung von 100 Millionen zu sprechen, ist völlig abwegig.
>Noch eine kleine Ergänzung dazu warum ich den Integrierer toll finde:
Ich denke, du hast keinen Platz? Wie willst du da die Entladeschaltung
unterbringen??
Ein Integrierer ist schon deshalb problematisch, weil du jegliche
Zeitauflösung verlierst. Außerdem mußt du den Integrationscap wirklich
auf einen definierten Anfangspegel zurücksetzen. Aber selbst mit einer
aufwendigen Schaltung mit einem hochwertigen Analogschalter wirst du das
Probelm mit der "Charge Injection" und vor allem mit Leckströmen haben.
Foti schrieb:> Ein Integrierer ist schon deshalb problematisch, weil du jegliche> Zeitauflösung verlierst. Außerdem mußt du den Integrationscap wirklich> auf einen definierten Anfangspegel zurücksetzen. Aber selbst mit einer> aufwendigen Schaltung mit einem hochwertigen Analogschalter wirst du das> Probelm mit der "Charge Injection" und vor allem mit Leckströmen haben.
Das gibts doch alles integriert, s. ACF2101. Da ist auch die
Charge-Injection niedrig genug, dass man damit keine großen Probleme
hat.
>Das gibts doch alles integriert, s. ACF2101. Da ist auch die>Charge-Injection niedrig genug, dass man damit keine großen Probleme>hat.
Der Chip ist 24-polig und ja noch größer als ein Doppel-OPamp! Christian
hat doch gesagt, daß er keinen Platz hat...
>Der Chip ist 24-polig und ja noch größer als ein Doppel-OPamp! Christian>hat doch gesagt, daß er keinen Platz hat...
Außerdem braucht der Chip +5V und -15V und zieht 12mA Strom, ist also
nicht aus einer Knopfzelle speisbar.
Christian schrieb:> meiner Rechnung nach sind es 110MOhm um auf 2 Volt zu wandeln.
Öhm stimmt, da waren so viele 7en, da hab ich mich verguckt.
Also 10Mohm im TIA auf 200mV und mit x10 verstärken. Immer noch kein
Grund, sich den Schmonz mit dem Integrierer anzutun.
Wenn Du 2 ADC-Eingänge hast, kannst Du einfach:
- mit 10Mohm TIA auf 200mV
- mit x10 auf 2V verstärken und auf einen ADC
- mit x5 den Bereich nochmal spreizen und auf den zweiten ADC
Ist der zweite ADC (x50) am Limit, nimmt man den Wert aus dem ersten
ADC. Oder man schaltet mit einem Mosfet die Verstärkung von x10 auf x50
um. Ist alles immer noch klein.
So klein sind 18 nA, oder auch 1 nA nicht. Das kann man durchaus mit dem
TIA messen - halt z.B. ca. 10 MOhm und dann noch etwas (z.B. 10-20 fach)
hinterher verstärken. Wenn es unbedingt nur 1 OP sein soll, geht auch
die T Schaltung um noch einmal eine etwa 10 Fache Verstärkung mit dem
selben OP zu bekommen - das sind auch nur 2 Widerstände mehr.
Die Schaltung mit dem Integrierer bekommt man auch einfach, wenn man das
andere Ende der Photodiode schaltet. Den Strom kann man dabei durch
einen Serienwiderstand so weit begrenzen, dass man über die Zeit eine
halbwegs passende Spannung am Integrierer einstellen kann. Damit ist man
auch noch weit unter dem zulässigen Strom der Photodiode - vermutlich
eher so im unteren µA Bereich. Eine definierte Spannung braucht man
nicht einmal zu erreichen - den Startwert kann man auch mit dem AD
Wandler (selber Kanal) messen. Der Schaltungsaufwand ist mit je 1 OP,
Widerstand, Kondensator und natürlich der Photodiode auch klein - nur
das Programm ist einiges Aufwendiger.
OK, das Platzproblem war vielleicht ein wenig ein schwaches Argument, es
gibt ja Chips mit mehreren OpAmps in einem Gehäuse die etwa glich gross
sind. Aber was sind die Vorteile davon, wenn ich zuerst einen
Transimpedanz Verstärker habe mit kleinerer Transimpedanz (ja, ich
lerne!) und danach noch nachverstärke?
Die erzielbare Bandbreite, der Nachteil ist das man nie das geringe
Rauschen erreichen kann als wenn man nur mit einem TIA mit entsprechend
großem Rf arbeitet.
Der TIA mit nachgeschalteter Verstärkung ist vom Rauchen recht ähnlich
mit der T-Schaltung, aber von der Bandbreite wohl etwas besser. Als
zusätzlichen Vorteil hat man bei der 2 OP Lösung die Möglichkeit auch
das unverstärkte Signal zu messen und so den Bereich zu vergrößern. Wenn
es um geringen Stromverbrauch geht, spart einem die T Schaltung in der
Rückkopplung den Strom für den 2. OP.
Die Lösung direkt, scheitert ggf. an der Verfügbarkeit guter Widerstände
über 100 M. Auch mit nur 10 M in der Rückkopplung kommt man schon recht
weit runter im Rauschen und hat vermutlich eher Probleme mit Leckströmen
auf der Platine. So viel verschenkt man also nicht, wenn man nur etwa 10
M statt eines schwer zu bekommenden 100 M Widerstand nimmt.
>Aber was sind die Vorteile davon, wenn ich zuerst einen>Transimpedanz Verstärker habe mit kleinerer Transimpedanz (ja, ich>lerne!) und danach noch nachverstärke?
Nicht nur Vorteile. Auch Nachteile. Es ist einfach eine andere Spielart.
Ob das jetzt gut oder schlecht für dich ist, kann man erst sagen, wenn
man weiß, was du überhaupt machen willst. Im Moment drehen wir uns im
Kreis. Wir haben dir eine Reihe von Möglichkeiten genannt. Was jetzt
wirklich sinnvoll ist, hängt von den Details deiner Applikation ab...
