Bandbreitenbegrenzung bei Photodiode und anderem Sensor vergleichen

[Gerald G. (gerald_g)]

Hallo,

wir forschen an einem Sensor, der einen optischen Sensor ersetzen soll.
Normalerweise wird zur optischen Messung ein Laser mit Photodiode 
eingesetzt. Beim Transimpedanzverstärker gilt ja:

$$F_{-3dB}=\sqrt{\frac{\text{GBP}}{2 \pi \cdot R_F \cdot C_s}}$$

mit C_s als Summe von Kapazität Photodiode und Kapazität vom OPV.

Unser Sensor ist ein resistiver Sensor, der bis 50Mhz ein Signal 
liefert. Der Sensor ändert seinen Widerstand um etwa 8%, hat nominell 
etwa 140 Ohm und sollte im Bereich von etwa 100mV betrieben werden.
Zur Auswertung nutzen wir eine Brückenschaltung mit anschließendem 
Instrumentenverstärker.

Hat jemand eine Idee, wie man sinnvoll vergleichen kann, wie gut die 
beiden Möglichenkeiten sind? Im Endeffekt will ich zeigen, dass man mit 
unserem Sensor deutlich schnellere Frequenzen fahren kann, als mit dem 
optischen Sensor (sofern es denn zutrifft ;) )
Ich denke man muss hierfür eine mindest SNR setzen, z.B. 12bit und eben 
die passendsten OPVs aussuchen und schauen, wie schnell man werden kann.

Oder fällt euch eine andere (auch gerne mathematischere) Lösung hierfür 
ein? Denn beide Möglichkeiten zu vergleichen ist ja schwer, da ja die 
Auswerteelektronik eine andere ist.

[Possetitjel (Gast)]

Gerald G. schrieb:

> Hat jemand eine Idee, wie man sinnvoll vergleichen
> kann, wie gut die beiden Möglichenkeiten sind?

Signal-Rausch-Verhältnis als Funktion der Frequenz
betrachten.

> Ich denke man muss hierfür eine mindest SNR setzen,
> z.B. 12bit und eben die passendsten OPVs aussuchen und
> schauen, wie schnell man werden kann.

Dann vergleichst Du aber nicht die Sensoren, sondern die
kompletten Detektor-Schaltungen.
Das kann man als Zusatzangabe liefern, aber nicht als
einzige.

> Denn beide Möglichkeiten zu vergleichen ist ja schwer,

Ja.

> da ja die Auswerteelektronik eine andere ist.

Nicht nur deshalb: Kapazitive und resistive Sensoren sind
halt verschieden.

Die 3dB-Grenzfrequenz sagt für die praktische Anwendung
erstmal gar nix - wenn 0dB tausend Mal zuviel ist, dann
sind -3dB immer noch siebenhundert Mal (oder fünfhundert
Mal, je nachdem...) zuviel. Wichtig ist letztlich das
Signal-Rausch-Verhältnis.

[Gerald G. (gerald_g)]

Possetitjel schrieb:
> Signal-Rausch-Verhältnis als Funktion der Frequenz betrachten.

Ja, so etwas wäre toll, jedoch muss ich da Werte für die OPVs einsetzen. 
Das ganze ohne Verstärkungsschaltung anzuschauen ist doch nicht so 
interessant, da eine Photodiode auch ziemlich schnell ist, doch der TIA 
sehr begrenzt.
Ich denke in beiden Fällen wird die Verstärkerschaltung begrenzen. 
Deshalb wird das eher auf ein Vergleich der Verstärker hinauslaufen als 
auf einen Vergleich der Sensoren.

[Possetitjel (Gast)]

Gerald G. schrieb:

> Das ganze ohne Verstärkungsschaltung anzuschauen ist doch
> nicht so interessant, da eine Photodiode auch ziemlich
> schnell ist, doch der TIA sehr begrenzt.

Genau das ist ja der Punkt, den ich an Eurem ganzen Ansatz
nicht verstehe: Wenn der Verstärker das begrenzende Element
ist und nicht der Sensor - ja warum forscht ihr dann nicht
an besseren Verstärkertopologien?

> Ich denke in beiden Fällen wird die Verstärkerschaltung
> begrenzen. Deshalb wird das eher auf ein Vergleich der
> Verstärker hinauslaufen als auf einen Vergleich der
> Sensoren.

Dann wird es aber ein Etikettenschwindel.

[Gerald G. (gerald_g)]

Naja, ein Sensor muss ausgelesen werden. Hierzu gibt es verschiedene 
Möglichkeiten.
Wenn beide Sensoren gleich gut sind, der andere aber deutlich besser 
ausgelesen werden kann, ist dieser eben zu bevorzugen.
Darum geht es mir. Hierbei reicht es mir die beiden Grundarten TIA und 
Messbrücke mit Instrumentenverstärker zu vergleichen.

[M. K. (sylaina)]

Gerald G. schrieb:
> Hierbei reicht es mir die beiden Grundarten TIA und
> Messbrücke mit Instrumentenverstärker zu vergleichen.

Das ist aber etwas wenig, es gibt reichlich mehr Verstärkerschaltungen. 
Mir kommt hier z.B. die Frage in den Sinn warum man nicht nach 
Lock-In-Verstärkern schaut. Der ist insbesondere bei Photodioden auch 
nicht sooo selten.

[Pandur S. (jetztnicht)]

Dann kann man den Photodiodenverstaerker ein Wenig optimieren .. nur 
einen OpAmp als Transimpedanz zu verwenden ist etwa das trivialst 
Moegliche.
Es muss ja nicht eine BPW34 sein. Es gibt Photodioden incl Verstaerker, 
die arbeiten im GHz Bereich.

Daher ist das ganze Projekt Mist.

[Abdul K. (ehydra)]

Die Fotodiode hat doch einen kapazitiven und einen resistiven Anteil! 
Genauso kann man auch den nachfolgenden Verstärker modellieren. Es wird 
wohl auf die Frage hinauslaufen, wie man die vier Komponenten optimal 
aufeinander abstimmt. Der TIA mutiert also zu einem Mischwesen.

Ist diese Verarbeitung nichtlinear, so hängt die optimale Auslegung auch 
noch von der Signalform ab.

Was die Rauschbewertung angeht, so kann man sich das Eigenrauschen der 
Komponenten auch als nichtlineare Komponente vorstellen.


Von daher: Entweder man packt es analytisch durch Mathe, oder per 
Monte-Carlo in SPICE.


Sehr interessant! Die Frage stellte ich mir schon vor mindestens 20 
Jahren, ohne je weitergekommen zu sein.

[Ulrich H. (lurchi)]

Beim Verstärker für Photodioden muss man ggf. ein Kompromiss zwischen 
Geschwindigkeit, Rauschen und Dynamischem Bereich machen. Es kommt also 
auf die Anwendung an was für einen Verstärker man da wählt, bzw. wählen 
kann. Auch wenn es oft nicht der üblichen Schaltung entspricht, wird oft 
einfach ein 50 Ohm Lastwiderstand zur Fotodiode angenommen.

Für den resistiven Sensor wäre dann halt die Brückenschaltung oder ggf. 
auch nur der Teiler mit einem 2. Widerstand (auch 140 Ohm oder ggf. auch 
deutlich mehr) die Ref. Schaltung auf die man sich beziehen kann. Wie 
schnell der Sensor selber dann ist, muss man halt sehen / nachmessen - 
das muss in der ersten Ausführung ja auch nicht mit schnellen Fotodioden 
konkurrieren.

Rein für den Test der Geschwindigkeit könnte man z.B. auch einen 
Widerstand (ca. 78 Ohm) wählen um für den Teiler auf 50 Ohm Impedanz zu 
kommen. Dass könnte man dann direkt auf einem schnellen Oszilloskop mit 
50 Ohm Eingang messen. Da gibt kein optimales SNR, aber eine schnelle 
gut reproduzierbare Schaltung. Für mehr Signal müsste man ggf. auch 2 
der Sensoren parallel haben.