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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Photodioden-Schaltung


Autor: Lukas D. (dieter94)
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Hallo Leute,

ich probiere mich derzeit erstmalig an einem Schaltungsentwurf für eine 
Photodiodenschaltung. Die dabei zu verwendende Photodiode habe ich 
angehängt. Die Überlegung ist, die Photodiode im reverse bias mit -20V 
vorzuschalten. Außerdem soll eine zweistufige Verstärkung realisiert 
werden. Die erste Stufe soll einen Transimpedanzverstärker nutzen.
Hier ist nun meine Frage:

Worauf kommt es hierbei an? Welche Eigenschaften soll ein solcher 
Transimpedanzverstärker aufweisen? Welche Eigenschaften muss der OP der 
zweiten Stufe vorweisen?

Da die Lichtquelle sehr gering ist, werden durch die Photodiode sehr 
geringe Ströme produziert, welche maximal verstärkt werden sollen. Die 
Lichtquelle ist eine gepulste LED (1ms), sodass die Schaltung außerdem 
den schnellen Änderungen folgen muss.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@Lukas D. (dieter94)

>vorzuschalten. Außerdem soll eine zweistufige Verstärkung realisiert
>werden.

Warum? Das macht man nur, wenn die Verstärkung bzw. Bandbreite der 1. 
Stufe nicht reicht.

>Worauf kommt es hierbei an?

Einiges.

>Welche Eigenschaften soll ein solcher
>Transimpedanzverstärker aufweisen?

Die richtigen

wenig Eingangsstrom
wenig Rauschen
ausreichend Bandbreite

> Welche Eigenschaften muss der OP der
>zweiten Stufe vorweisen?

Der ist deutlich unkritischer.

>Da die Lichtquelle sehr gering ist,

Kaum. Eher ist die Strahlungsintensität der Lichtquelle gering.
Wie gering?

> werden durch die Photodiode sehr
>geringe Ströme produziert,

Wieviele nA erwartest du?

>welche maximal verstärkt werden sollen.

Nö, denn dann würden Dutzende kV rauskommen. Man verstärkt nur soviel 
wie nötig.

> Die
>Lichtquelle ist eine gepulste LED (1ms), sodass die Schaltung außerdem
>den schnellen Änderungen folgen muss.

Naja, 1ms ist schon recht langsam. Da kann man Rückkopplungen im MOhm 
Bereich nutzen.

10MOhm * 100nA = 1V

Autor: Lukas D. (dieter94)
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> Warum? Das macht man nur, wenn die Verstärkung bzw. Bandbreite der 1.
> Stufe nicht reicht.

Mein Fehler. 1.Stufe sollte folglich reichen.

> Die richtigen
>
> wenig Eingangsstrom
> wenig Rauschen
> ausreichend Bandbreite

Hättest du ein konkretes Beispiel mit diesen Eigenschaften parat?

> Kaum. Eher ist die Strahlungsintensität der Lichtquelle gering.
> Wie gering?

Es wird ein Medium durchstrahlt, wodurch einiges an Strahlung der LED 
verloren geht. Wieviel konkret ankommt, wurde bisher nicht gemessen. Die 
oben genannte Photodiode soll erstmals am Ausgang vorhandene Strahlung 
in ausreichender Stärke detektieren.

> Wieviele nA erwartest du?

Wenige µA sollte die Photodiode schon schaffen

> Naja, 1ms ist schon recht langsam. Da kann man Rückkopplungen im MOhm
> Bereich nutzen.

Ich habe dummerweise verschwiegen, dass nach 20µS die erste Abtastung 
erfolgt, sodass die Spannung nach dieser Zeit bereits auf Maximalwert 
sein sollte.

Autor: Axel Schwenke (a-za-z0-9)
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Salamitaktik mal wieder. So macht das keinen Spaß.

[x] geh weg

Autor: Lurchi (Gast)
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Als Faustregel sollte man beim TIA wenn möglich wenigstens 100 mV an 
Ausgangsspannung erreichen. Dann ist das Rauschen des Widerstandes 
kleiner als das Schrotrauschen einer normalen Lichtquelle / Photodiode. 
Für 1 µA an Photostrom wäre man damit bei einer Rückkopplung von 100 K 
Ohms oder mehr. Bei viel mehr als 1 M bekommt man Probleme mit zu viel 
Signalpegel. Um auf eine Zeitkonstante von 10 µs zu kommen wäre das etwa 
1 M und 10 pF also noch machbar hinsichtlich parasitärer Kapazitäten.
Wegen der recht hohen Kapazität des Detektors muss man ggf. schon etwas 
aufpassen mit der Auslegung der FB Kapazität und Bandbreite des OP.
Ob man bei der ersten Abtastung des Signals schon die maximale Amplitude 
braucht, wäre noch zu klären - ich vermute eher nicht, weil man dafür 
Überschwinger bräuchte. Auch bei langsamerer Zeitkonstante bleibt der 
Zusammenhang linear.

Bei der Photodiode ist der Reversstrom bei 10 V angegeben - viel mehr 
würde ich eher nicht wählen, zumal hier ja keine super hohe 
Geschwindigkeit gefragt ist. Mit zunehmender Spannung reduziert sich die 
Kapazität nur noch wenig, aber der Dunkelstrom und das damit verbundene 
Rauschen nimmt zu. Nach dem Datenblatt wäre eher zu überlegen nur etwa 5 
V Vorspannung zu nutzen.

Ich würde ggf. statt der großflächigen Phototdiode lieber eine kleinere 
mit Optik davor nehmen. Etwa eine BPW24.

Autor: U. M. (oeletronika)
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Hallo,
> Lukas D. schrieb:
> Ich habe dummerweise verschwiegen, dass nach 20µS die erste Abtastung
> erfolgt, sodass die Spannung nach dieser Zeit bereits auf Maximalwert
> sein sollte.
Das ist doch Unsinn. Erst schreibst du, dass die LED mit 1ms gepulst 
wird.
Das wären bei einem Tastverhältnis von 1:1 500Hz Pulsfrequenz.

Wozu soll es da gut sein, die Abtastung nach 20us zu starten, wenn dann 
noch 980us Zeit bleiben?
Mit dieser Anforderung macht man sich nur viel Streß bei der Dynamik der 
Schaltung.

Die Anwendung scheint mir ziemlich unkritisch.
Das Licht wird noch um Größenordnungen starker sein, als es bei wirklich 
empfindlichen Sensorschaltungen möglich ist.

Die Fotodiode ist riesig, hat aber natürlich dafür rel. hohe Kapazität.
Statt dem teuren Teil würde eine BPW34 es sicher auch machen.
Mit einer Sammelinse kann man auch noch viel mehr Licht einfangen, als 
die Größe der Fotodiodenfläche es ohne Optik erlaubt.

Bei moderater Verstärkung und geringer Dynamik wird aber die Kapazität 
der Fotodiode nicht begrenzend wirken. Da reicht auch eine geringere 
Vorspannung.

Die erste Verstärkerstufe sollte eine möglichst hohe Verstärkung haben, 
um Rauschen zu minimieren. Eine nachfolgende Filterstufe, auch mit 
Verstärkung kann trotzdem Sinn machen, z.B. um Übersteuerung durch 
Gleichlicht zu vermeiden.
Ein Beispiel einer Verstärkerschaltung für eher sehr hohe Verstärkungen 
mit guter Gleichlichtunterdrückung findest du hier:
http://uwiatwerweisswas.schmusekaters.net/Uwi/ELEK...

Als OPV eignen sich Typen mit sehr niedrigem Biasstrom (Bi-FET-OPV).
Der Offset sollte keine Rolle spielen, wenn man im Lichtsignal die Hell- 
und Dunkelwerte abtastet und daraus die diff. bildet.
Gruß Öletronika

Autor: S.I. (Gast)
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Lukas D. schrieb:
> ... nach 20µS ...

Meinst du vielleicht 20µs?

Autor: Dieter F. (jim_quakenbush)
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S.I. schrieb:
> Meinst du vielleicht 20µs?

Nein, natürlich meint er µSiemens, er ist ja kein Korinthenkacker :-)

Autor: Michael Bertrandt (laberkopp)
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Lukas D. schrieb:
> Worauf kommt es hierbei an? Welche Eigenschaften soll ein solcher
> Transimpedanzverstärker aufweisen? Welche Eigenschaften muss der OP der
> zweiten Stufe vorweisen?

Die Kapazität der Photodiode ist bei dir sehr hoch, der Strom sehr 
gering, die Verstärkung sehr hoch, Schwingneigung

http://www.electrooptical.net/www/frontends/frontends.pdf

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Lukas D. (dieter94)

>> Warum? Das macht man nur, wenn die Verstärkung bzw. Bandbreite der 1.
>> Stufe nicht reicht.

>Mein Fehler. 1.Stufe sollte folglich reichen.

Kann sein, muß nicht.

>> wenig Eingangsstrom
>> wenig Rauschen
>> ausreichend Bandbreite

>Hättest du ein konkretes Beispiel mit diesen Eigenschaften parat?

Dazu mußt du schon ein paar Zahlen nennen. Wenn es WIRKLICH ein paar uA 
Photostrom sind, kann man einen Bipolar-OPV mit ein paar Dutzend nA 
Eingangsstrom (input bias current) nehmen. Wenn nicht, braucht man einen 
mit FET-Eingangsstufe im pA-Bereich.

>> Kaum. Eher ist die Strahlungsintensität der Lichtquelle gering.
>> Wie gering?

>Es wird ein Medium durchstrahlt, wodurch einiges an Strahlung der LED
>verloren geht. Wieviel konkret ankommt, wurde bisher nicht gemessen.

Dann solltest du das nachholen, denn ohne eine GRÖßENORDNUNG, in der das 
Signal zu erwarten ist, wird es eher ungünstig.

>> Wieviele nA erwartest du?

>Wenige µA sollte die Photodiode schon schaffen

Wirklich? uA sind schon ziemlich viel.

>Ich habe dummerweise verschwiegen, dass nach 20µS die erste Abtastung
>erfolgt, sodass die Spannung nach dieser Zeit bereits auf Maximalwert
>sein sollte.

Das macht die Sache um mehr als eine Größenordung anspruchsvoller, denn 
dann muß nach 20us das Signal schon recht gut eingeschwungen sein. Pi 
mal Daumen braucht man da einen TIA mit vielleicht 5us Anstiegszeit, was 
ca. 60 kHz Bandbreite entspricht. Machbar.

https://www.mikrocontroller.net/articles/Lichtsens...

Selbst die Gurke von LM358 kommt mit 1M in der Rückkopplung schon auf 
~45kHz. Ich würde einen OPV mit ca. 5-10MHz 
Verstärkungs-Bandbreiteprodukt empfehlen und 10MOhm 
Rückkopplungswiderstand. Damit kann man ins Rennen gehen. Den Widerstand 
zu verkleinern weil das Signal stark genug ist, ist kein Problem. Nimm 
einen OPV mit FET-Eingang, kann nicht schaden. Um die Probleme mit der 
Offsetspannung am Eingang kannst du dich kümmern, wenn die ersten 
Messungen gelaufen sind. Mach keine Spar- und Trickschaltungen sondern 
gönn dem OPV +/-5V oder mehr. Hier ein paar Kandidaten.

LT1122
AD8605
OPA2380 (direkt für TIA gemacht, ist aber auch rattenschnell und braucht 
eine gute HF-Beschaltung + Layout)
LT1055/LT1056
LF356

Autor: M. Köhler (sylaina)
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Lukas D. schrieb:
> Die
> Lichtquelle ist eine gepulste LED (1ms), sodass die Schaltung außerdem
> den schnellen Änderungen folgen muss.

1 ms als schnell zu bezeichnen ist schon recht gewagt :D

Wichtig ist erstmal, wie schon gesagt wurde, dass du in etwa weißt wie 
groß der Strom sein wird, der aus deiner Photodiode kommen wird. Erst 
dann kannst du das Feedback-Netzwerk bestimmen, dass du benötigen wirst.

Als OPV solltest du einen mit FET-Eingängen wählen, also nicht unbedingt 
einen LM358 sondern eher so ein AD620 oder OPA380 z.B.

Geht es dir denn um den genauen Photostrom oder nur um die Signalform? 
Wenn du da 1 uA Photostrom erwartest und der genaue Strom relativ egal 
ist kann es ggf. aber auch ein LM358 oder ähnliches tun.

Da du anscheinend nur das vorhanden Sein des Strahls messen willst 
scheint es dir nicht um den genauen Strom zu gehen und auch die Frequenz 
des Strahls ist relativ gering, daher, denke ich, brauchst du auch nicht 
Vorspannen. Mit einem einfachen TIA, wie im Bild gezeigt, mit R11 = 1 
Meg, R12 = 100 k und R13 = 1 k erreicht man eine Verstärkung von 
immerhin schon rund 0.1 V/nA. Tatsächlich hab ich das so schon mit dem 
OPA340 aufgebaut für ein 20-40 kHz Signal.

Wirst du denn mit Streulicht zu kämpfen haben (das hatte ich nicht was 
den Spass schon erheblich vereinfacht)?

Autor: Sabberalot W. (jetztnicht)
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Interessant waere, ob es zB eine Transmissionsmessung ergibt, dann waere 
die Bandbreite erheblich geringer, dh mit 1kHz moduliert, aber das 
Nutzsignal wesentlich langsamer, dann ist auch das Rauschen viel tiefer. 
Dann wuerde man mit einem Lock-in arbeiten

Autor: Lurchi (Gast)
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Da die LED mit 1 ms Pulsen arbeiten soll, kann es gut sein, dass eine 
Lockin ähnliche Messung geplant ist. Wenn die Störungen relativ klein 
sind kann das auch digital, also nach Aufnahme der Daten mit dem ADC 
erfolgen. Eine analoge Lockin-schaltung hätte nur Vorteile, wenn der 
Untergrund so groß ist, das man an die Grenzen der Auflösung des ADCs 
kommt.

Der AD620 ist kein normaler OP, sondern ein INA auf BJT Basis, also eher 
keine so gute Wahl.

Je nach Versorgung sollten bei nicht so hohen Ansprüchen so was wie 
TL072 ausreichen - wenn man mehr will, ggf. LF356, LT1056, OPA134, 
OPA141 oder ähnlich. Die DC stabile Version im OPA380 braucht man ggf. 
nicht, wenn das Licht moduliert wird.

Bei einem relativ großen Sensor ist der Bias Strom bzw. das Strom 
rauschen nicht unbedingt der wichtigste Parameter. Auch das 
Spannungsrauschen wird ggf. wichtig.

Autor: butsu (Gast)
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U. M. schrieb:
> Mit einer Sammelinse kann man auch noch viel mehr Licht einfangen, als
> die Größe der Fotodiodenfläche es ohne Optik erlaubt.

Wenn das Licht durch Streuung keine Vorzugsrichtung hat, bringt die 
Linse nichts, ein Fokussieren der LED evtl. aber schon. Leider verrät 
der TE nichts über das durchstrahlte Medium. Streut es stark, wie es 
z.B. Suspensionen, Gewebe, etc. tun, oder absorbiert es nur, wie z.B. 
gefärbte Lösungen?

Ich find's übrigens interessant, sich zuerst auf eine total exotische 
und sehr teure PD mit riesiger Fläche festzulegen, und sich dann 
Gedanken über die grundlegenden Dinge zu machen. Mein Tipp wäre auch, 
zuerst einen quick&dirty Aufbau mit BPW34 und ohne Modulation zu machen, 
um ein Gefühl für die Größenordnungen zu bekommen. Die hat zwar nur ca. 
1/6 der aktiven Fläche, kostet aber auch nur 1/30...

Meine Vermutung: Die BPW34 ist gut genug :-)

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