Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Transimpedanzwandler für Photodiode


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von A. R. (and)


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Hallo,

Vorab: Ich habe jetzt schon viele Forenbeiträge hier gelesen und auch 
bei google einiges nachgelesen.

Ich möchte folgendes realisieren:
Ich möchte den Strom einer Photodiode mit Hilfe eines 
Transimpedanzwandler in ein Spannungssignal wandeln.

Datenblatt: http://www.roithner-laser.com/datasheets/pd/uv/sic01xl-5.pdf
Der Strom des Sensor beträgt: Id = 1,3fA und Ip=43nA.

Was ich jetzt noch nicht ganz herausfinden konnte, aus den vielen 
Threads ist, welcher OP ist am besten geeignet, den ich auch bei 
Reichelt oder Conrad erhalte.

Auf welche Eigenschaften muss ich bei dem OP achten, bzw. welche Werte 
muss dieser haben und WARUM?

Habe folgenden mal gefunden:
AD 8055 AR


Vorab schonmal vielen Dank.

: Bearbeitet durch User
von U. M. (oeletronika)


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Hallo,
steht erst mal die Frage, was willst du überhaupt damit anfangen?

Die Werte für Id (Dunkelstrom) und Ip (Strom bei 10uW/m³) sagen rein gar 
nix zu den notwendigen Parametern deiner Anwendung aus.
Der ausgesuchte OPV scheint mir wenig geeignet bis völlig daneben für 
den Zweck.
Wozu braucht du einen 300MHz-OPV, dessen Bias-Strom von typ. 0,4uA das 
zig Mio-fache vom Dunkelstrom ist?

Für Transimpedanzverstärker eigenen sich vor allem OPV, deren Biasstrom 
klein ist im Vergleich zum Messstrom.
Das sind zumindest Bi-FET-OPV (billige TL08x, TL06x), oder speziellere 
Di-FET-OPV wie z.B. OPA605, OPA128 OPA129 aber auch modernere Typen wie 
LMP7721.
Ein Schaltungsbeispiel findest du auch hier:
http://uwiatwerweisswas.schmusekaters.net/Uwi/ELEKTRONIK/Opto_Laser/Fotoverst%e4rker.PDF
Gruß Helles Licht

von Markus R. (maggus)


Angehängte Dateien:

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> Der Strom des Sensor beträgt: Id = 1,3fA und Ip=43nA.

Id ist der Dunkelstrom, der ist bei SiC-Photodioden vernachlässigbar 
klein. Das was im Datenblatt für Ip angegeben wird stellt ja nur den 
Strom dar, der bei einer Leistungsdichte von 10 µW/cm^2 bei der 
Wellenlänge höchster Empfindlichkeit und Kurzschluss der Photodiode 
fließt. Er muss damit für deine Anwendung nicht unbedingt relevant sein.
Hast du schonmal zumindest grob überschlagen, welche Lichtleistung in 
deiner Anwendung auf die aktive Fläche der Photodiode auftreffen wird 
und welchen Spektralbereich das Licht abdeckt? Dann kannst du dir mit 
den entsprechenden Angaben im Datenblatt den Photostrom ausrechnen.

> Auf welche Eigenschaften muss ich bei dem OP achten, bzw. welche
> Werte muss dieser haben und WARUM?

Möglichst geringer Eingangsstrom und möglichst geringes Rauschen. Je 
nach Anwendung musst du natürlich auch die notwendige Bandbreite 
beachten.

Beim Transimpedanzverstärker soll der Photodiodenstrom ja möglichst 
komplett über den Widerstand fließen, ein Strom in den Eingang des 
OP-Amps verfälscht das Messergebnis. Da Ströme im nA-Bereich zu erwarten 
sind, muss also auf einen entsprechend geringen Eingangsstrom geachtet 
werden. Da du einen sehr großen Rückkopplungswiderstand benötigen wirst, 
macht sich (Strom-)Rauschen des Eingangs auch recht deutlich im 
Ausgangssignal bemerkbar.

MCP602 fällt mir jetzt so spontan als Typ ein, kommt aber natürlich auch 
auf deine genaueren Anforderungen an.

Beim Layout sollten die Verbindungen zwischen Photodiode und OP-Amp so 
kurz wie möglich gehalten werden, außerdem sollte ein guard ring um den 
hochimpedanten Knoten (invertierender Eingang des OP-Amps) vorgesehen 
werden. Dazu im Anhang ein PDF.

Die Firma sglux bietet übrigens auch fertige UV-Sensoren im 
Einschraubgehäuse mit 0-5V Ausgang an. Auf deren Seite gibt es auch ein 
PDF mit einigen Infos speziell zu UV-Photodioden.

von M. K. (sylaina)


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Andi Ritzdorf schrieb:

> Was ich jetzt noch nicht ganz herausfinden konnte, aus den vielen
> Threads ist, welcher OP ist am besten geeignet, den ich auch bei
> Reichelt oder Conrad erhalte.
>

OPA340 oder OPA380 sind ganz gut für diese Photodiode. Die Frage ist 
auch wie schnell es sein muss. Die Bandbreite sink mit zunehmenden 
Feedback-Widerstand. Bei Strömen im Nanoamperebereich musst du die 
Schaltung geschirmt betreiben, sonst misst du primär Störfelder und 
nicht deine Photodiode. Diese sollte so dicht wie möglich an den OPV 
ran, also Photodiode und OPV nicht im Abstand von 5 Meter betreiben 
sondern eher im Abstand von 5 Millimeter.

von A. R. (and)


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Schonmal vielen Dank für die Info´s.


@ Markus R: Das es fertige Sensoren gibt weis ich. Ich möchte aber gerne 
die Erfahrung machen, einen selber zu entwerfen und auch verstehen, 
wieso weshalb warum?


Zum Einsatz wird dieser nachher an einer UV-Lampe kommen die eine recht 
hohe Leistung haben wird. (etwa 60-200W/cm).

Deswegen wird doch auch die Tmeperatur eine Rolle spielen. Werde den 
Sensor eh in einem Metall-Gehäuse einbauen und den OP auch da mit 
reinpacken. Das ganze wird dann (stand jetzt) vergossen mit einem 
Giesharz von Rampf (Temperatur beständig).

von Mike A. (Gast)


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Markus R. schrieb:
> Da du einen sehr großen Rückkopplungswiderstand benötigen wirst,
> macht sich (Strom-)Rauschen des Eingangs auch recht deutlich im
> Ausgangssignal bemerkbar.

Da die Gesamtrauschleistung über die Bandbreite mit der 
Rauschleistungsdichte zusammenhängt, ist es also sinnvoll, zur 
Verringerung des Rauschens die Bandbreite des TIA auf die für die 
Anwendung erforderliche Bandbreite zu beschränken, d.h. die 
Gegenkopplung frequenzabhängig zu gestalten.

von A. R. (and)


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Wie ermittel ich den die erforderliche Bandbreite?

Wie gestalte ich den z.B. die Gegenkopplung frequenzabhänig.

von Harald W. (wilhelms)


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Andi Ritzdorf schrieb:

> Wie ermittel ich den die erforderliche Bandbreite?

Was willst Du denn mit Deiner Photodiode überhaupt messen?

von A. R. (and)


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Ich möchte die UV-Leistung einer UV-Lampe messen. (215 - 365 nm).

Die Messung ist nicht kontinuirlich. Sie wird gelegentlich aktiviert für 
ein paar sekunden und dann wird der Wert ermittelt.
Ansonsten bleibt der Sensor mit einem Shutter verschlossen.

von M. K. (sylaina)


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Mike A. schrieb:
> Markus R. schrieb:
>> Da du einen sehr großen Rückkopplungswiderstand benötigen wirst,
>> macht sich (Strom-)Rauschen des Eingangs auch recht deutlich im
>> Ausgangssignal bemerkbar.
>
> Da die Gesamtrauschleistung über die Bandbreite mit der
> Rauschleistungsdichte zusammenhängt, ist es also sinnvoll, zur
> Verringerung des Rauschens die Bandbreite des TIA auf die für die
> Anwendung erforderliche Bandbreite zu beschränken, d.h. die
> Gegenkopplung frequenzabhängig zu gestalten.

Bei 40 nA Photostrom wird der SNR nicht wirklich eine Herausforderung 
werden. Ich hab letzt noch für 10 nA einen TIA benutzt und hab mit 
Rauschen schlicht kein Problem, der SNR liegt weit über 40 dB (oder 
waren es sogar 60 dB?), das ist völlig ausreichend für 99.99% aller 
Anwendungen.

von Mike A. (Gast)


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Andi R. schrieb:
> Wie gestalte ich den z.B. die Gegenkopplung frequenzabhänig.

U. M. schrieb:
> Ein Schaltungsbeispiel findest du auch hier:
> 
http://uwiatwerweisswas.schmusekaters.net/Uwi/ELEKTRONIK/Opto_Laser/Fotoverst%e4rker.PDF

von A. R. (and)


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Ok,
im Prinzip kann man dann ja die Schaltung von  "Mike A" verwenden. Die 
verstärkerstufe, spricht ab C6, kann man ja dann extern machen, spricht 
im 2meter entfernten Gehäuse oder?

Zu der Spannungsversorgung:
Werde vermutlich den OPA340 verwenden. Da kann ich an den Supply auch 
einfach +5V und GND machen und an R1 statt -5V auch +5V??

von Gerald G. (gerald_g)


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Bei analog devices und TI ist auf der Homepage ein Rechner. Direkt auf 
der Start Seite.
Dort kannst du die daten deiner Fotodiode eingeben, und das SNR für 
verschiedene OPVs berechnen lassen. Dort sind auch Erklärungen verlinkt, 
woher welches rauschen kommt.

von Harald W. (wilhelms)


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Andi R. schrieb:

> Ich möchte die UV-Leistung einer UV-Lampe messen. (215 - 365 nm).

Naja, da wirst Du einen derart hohen Pegel haben, das
sämtliche Überlegungen über rauscharme Verstärker
hinfällig sind. Vermutlich kannst Du sogar direkt ein
Zeigerinstrument ohne jede Elektronik an einer Aller-
weltsphotodiode anschliessen.
Gruss
Harald

von M. K. (sylaina)


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Andi R. schrieb:
> Werde vermutlich den OPA340 verwenden. Da kann ich an den Supply auch
> einfach +5V und GND machen und an R1 statt -5V auch +5V??

Ich benutze ihn so, also 5V Single-Supply am OPA340. Ich bin mir nicht 
sicher, meine aber mehr als 5.5 V zwischen V+ und V- findet der OPA340 
auch doof. ;)

von Ulrich H. (lurchi)


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Bei hoher Leistung wird vermutlich sowieso das Schrotrauschen (durch die 
Quantisierung des Stromes bzw. Lichtes) dominieren. Ein wirklich 
rauscharmer Verstärker ist dann eher nicht nötig. Als Faustregel reicht 
es wenn das DC Signal hinter dem TIA größer als 100 mV ist. Wegen der 
relativ großen Kapazität des Detektors muss in der Rückkopplung auch 
eine Kondensator, der die Bandbreite begrenzt. Da es wohl auch nicht um 
hohe Frequenzen geht, sollte ein allerwelts FET OP ausreichen - je nach 
Versorgung z.B. MCP6002, TLC272 oder TL072.

Fotodioden sind meist nur relativ wenig Temperaturempfindlich bei der 
Sensitivität - ein ansteigender Dunkelstrom dürfte hier nicht stören. So 
kritisch ist also die Temperatur nicht.

von A. R. (and)


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Wenn ich den OPA340 verwende kann ich ja auch anstatt an die Anode über 
einen Widerstand eine Spannung lege, auch direkt gegen Masse schalten.
So wie in dem Datenblatt auf Seite 3 
(http://www.roithner-laser.com/datasheets/pd/uv/sic01xl-5.pdf)

Damit ich den kompletten Bereich des Photodiodenstrom auch in eine 
Spannung wandeln kann, muss ich RF so wählen, das bei max. Diodenstrom 
auch max. Betriebsspannung am Ausgang ist oder? ( Ua = IP * RF)

von M. K. (sylaina)


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Andi R. schrieb:
>
> Damit ich den kompletten Bereich des Photodiodenstrom auch in eine
> Spannung wandeln kann, muss ich RF so wählen, das bei max. Diodenstrom
> auch max. Betriebsspannung am Ausgang ist oder? ( Ua = IP * RF)

So schauts aus ;)

von Markus R. (Gast)


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Andi R. schrieb:
> Zum Einsatz wird dieser nachher an einer UV-Lampe kommen die eine recht
> hohe Leistung haben wird. (etwa 60-200W/cm).

Hast du die Photodiode schon? Bei dieser Leristungsdichte könntest du 
auch eine kleinere Photodiode einsetzen, die erheblich billiger wäre.

Andi R. schrieb:
> Wie gestalte ich den z.B. die Gegenkopplung frequenzabhänig.

Durch einen Kondensator parallel zum Widerstand des 
Transimpedanzverstärkers, so wie im Datenblatt der Photodiode auf Seite 
3.

Andi R. schrieb:
> im Prinzip kann man dann ja die Schaltung von  "Mike A" verwenden. Die
> verstärkerstufe, spricht ab C6, kann man ja dann extern machen, spricht
> im 2meter entfernten Gehäuse oder?

Ich würde dir auch die Schaltung aus dem Datenblatt empfehlen. Achte 
darauf, dass die "Common mode input Voltage" des OPAmps die negative 
Versorgung (in deinem Fall GND) einschließt. Durch den Kondensator C6 in 
der Schaltung von "Mike A" kannst du nur Wechselsignale messen, was du 
ja nicht willst.


Bestimme erstmal den auftretenden Photstrom, dann schau nach ob du 
überhaupt noch eine zweite Verstärkerstufe brauchst. Den 
Gegenkopplungswiderstand würde ich nicht größer als 10 Mohm wählen, 
grundsätzlich ist es wegen dem Rauschen aber besser, alles in einer 
Verstärkerstufe zu machen.

von A. R. (and)


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Markus R. schrieb:
> Durch einen Kondensator parallel zum Widerstand des
> Transimpedanzverstärkers, so wie im Datenblatt der Photodiode auf Seite
> 3.

Das hatte ich mir auch so gedacht. War nur irretiert, weil es nochmal 
extra erwähnt wurde.

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