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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Photoverstärker mit Gleichlichtunterdrückung (Verständnisfrage)


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Autor: Bruno K. (b0bbyr4y)
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Hi Leute,

ich habe die im Anhang abgebildete OP-Schaltung. Der OP wird als 
Transimpedanzverstärker betrieben, um den Strom der Photodiode am 
invertierenden Eingang in eine Spannung umzuwandeln. Am 
nicht-invertierenden Eingang habe ich das RC-Glied zur Offset 
Kompensation durch den Input Bias Strom (R2) und zur Reduzierung des 
Rauschens bei höheren Frequenzen (C3). Als Photodiode wird eine SFH213 
von Osram verwendet.

Als nächstes wollte ich mich um eine Gleichlichtunterdrückung kümmern. 
Die erste Idee, war ein Hochpass hinter den Transimpedanzverstärker zu 
setzen, der mir den Gleichanteil wegfiltert.

Nun wurde mir erklärt, dass dadurch das Problem nicht gelöst wird, da 
durch den hohen Strom aus der Photodiode, der durch den 
Gleichlichtanteil (Sonne, Raumbeleuchtung) hervorgerufen wird, die 
Empfindlichkeit verloren geht.

Mir will das aber einfach nicht einleuchten. Würde ich einfach einen 
Spannungsteiler aus Photodiode und Widerstand aufbauen und dann die 
Spannung am Spannungsteiler abgreifen würde ich es verstehen. Je größer 
der Strom, desto größer die Spannung über dem Widerstand, was zu einer 
niedrigeren Sperrspannung an der Photodiode führt -> niedrigere 
Empfindlichkeit.
Beim OP habe ich am Eingang eine virtuelle Masse, d.h. der OP hält die 
Spannung auf GND bzw. auf der Spannung, die über R2 abfällt -> Offset. 
Oder anders gesagt: Die Spannung am invertierenden Eingang wird auf dem 
Potential des nicht-invertierenden Eingangs gehalten, wodurch sich auch 
die Spannung über der Photodiode nicht ändert und somit nach meinem 
Verständnis die Empfindlichkeit nicht beeinflusst wird.


Was habe ich übersehen bzw. nicht richtig verstanden?

Autor: Falk B. (falk)
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@Bruno K. (b0bbyr4y)

>Als nächstes wollte ich mich um eine Gleichlichtunterdrückung kümmern.
>Die erste Idee, war ein Hochpass hinter den Transimpedanzverstärker zu
>setzen, der mir den Gleichanteil wegfiltert.

Eher nicht.

>Nun wurde mir erklärt, dass dadurch das Problem nicht gelöst wird, da
>durch den hohen Strom aus der Photodiode, der durch den
>Gleichlichtanteil (Sonne, Raumbeleuchtung) hervorgerufen wird, die
>Empfindlichkeit verloren geht.

Nein. Aber dein TIA geht spielend in die Übersteuerung, wenn das 
Gleichlicht deutlich stärker als das Wechselsignal ist.

>Was habe ich übersehen bzw. nicht richtig verstanden?

Daß reale Verstärker keine beliebig großen Aussteuerbereiche haben ;-)

Beitrag "Fotodiode Gleichanteil entfernen"

Autor: Jens G. (jensig)
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>Als nächstes wollte ich mich um eine Gleichlichtunterdrückung kümmern.
>Die erste Idee, war ein Hochpass hinter den Transimpedanzverstärker zu
>setzen, der mir den Gleichanteil wegfiltert.

>Nun wurde mir erklärt, dass dadurch das Problem nicht gelöst wird, da
>durch den hohen Strom aus der Photodiode, der durch den
>Gleichlichtanteil (Sonne, Raumbeleuchtung) hervorgerufen wird, die
>Empfindlichkeit verloren geht.

Gleichlichtunterdrückung macht man ja in erster Linie erstmal dazu, 
damit der TIA nicht dadurch übersteuert, wenn man mit dem Rf eine rel. 
hohe Transimpedanz hat. In Deinem Fall wäre das aber eher unkritisch, 
denn so eine SFH213 liefert auch nur rund 1mA bei direktem Blick in die 
Sonne, womit mit deinen 1,5k ohnehin nur 1,5V entstehen würden, was ein 
OPV mit entsprechender Betriebsspannung lässig verarbeiten kann. Nur die 
nachfolgende Schaltung könnte sich daran stören, was aber mit dem von 
Dir erwähnten Hochpaß erledigt wäre.
Daß die Empfindlichkeit verloren geht, ist auf den ersten Blick quatsch, 
denn egal, wieviel Strom gerade durch die PD und den Rf geht, die PD 
liefert immer dieselbe AC-Signalspannung (ich gehe mal davon aus, daß Du 
moduliiertes Wechsellicht empfangen willst, sonst würde das mit dem 
Hochpaß auch nicht funktionieren).
Was Dir aber kräftig in die Suppe spucken wird (falls es Dir um 
Empfindlichkeit geht), ist das Schrotrauschen, welches "wurzelig" (nicht 
quadratisch ;-) mit dem Photostrom ansteigt. Das kann bei heller 
Umgebung dann gegenüber Dunkelbetrieb immense Werte annehmen.
Da Du aber nur einen Rf=1,5k benutzt, gehe ich davon aus, daß Du auch 
nicht extreme Empfindlichkeiten brauchst, den abgesehen vom 
Schrotrauschen erreicht man hohe Empfindlichkeiten erst durch möglichst 
hohem Rf, allerdings dann mit Einbußen bei der Grenzfrequenz.


>Mir will das aber einfach nicht einleuchten. Würde ich einfach einen
>Spannungsteiler aus Photodiode und Widerstand aufbauen und dann die
>Spannung am Spannungsteiler abgreifen würde ich es verstehen. Je größer
>der Strom, desto größer die Spannung über dem Widerstand, was zu einer
>niedrigeren Sperrspannung an der Photodiode führt -> niedrigere
>Empfindlichkeit.
>Beim OP habe ich am Eingang eine virtuelle Masse, d.h. der OP hält die
>Spannung auf GND bzw. auf der Spannung, die über R2 abfällt -> Offset.
>Oder anders gesagt: Die Spannung am invertierenden Eingang wird auf dem
>Potential des nicht-invertierenden Eingangs gehalten, wodurch sich auch
>die Spannung über der Photodiode nicht ändert und somit nach meinem
>Verständnis die Empfindlichkeit nicht beeinflusst wird.

Das hat nicht so sehr mit der Empfindlichkeit schlechthin zu tun, 
sondern mit der Grenzfrequenz. Denn mit der Sperrspannung ändert sich 
deren Sperrschicht-C, und damit die resultierende C am Eingang des OPV, 
und damit die Grenzfrequenz der Gesamtanordnung. Klar, bei hohen 
Frequenzen wird natürlich mit sinkender Grenzfrequenz die 
Empfindlichkeit bei hohen Frequenzen niedriger.

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Autor: Wolfgang (Gast)
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Was soll der Anschluss VF1?

Wenn du dort eine Spannung anlegst, arbeitet deine PD nicht mehr im 
Kurzschlussbetrieb und die Linearität geht verloren - muss natürlich 
nicht stören.

Autor: ArnoR (Gast)
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Wolfgang schrieb:
> Was soll der Anschluss VF1?
>
> Wenn du dort eine Spannung anlegst...

Dort legt er keine Spannung an, das ist ein TINA-Spannungsmesspunkt, der 
automatisch nach der Simu geplottet wird.

Autor: Bruno K. (b0bbyr4y)
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Falk B. schrieb:
>>Als nächstes wollte ich mich um eine Gleichlichtunterdrückung kümmern.
>>Die erste Idee, war ein Hochpass hinter den Transimpedanzverstärker zu
>>setzen, der mir den Gleichanteil wegfiltert.
>
> Eher nicht.

Auch nicht, wenn mein TIA nicht übersteuert?


Jens G. schrieb:
> In Deinem Fall wäre das aber eher unkritisch,
> denn so eine SFH213 liefert auch nur rund 1mA bei direktem Blick in die
> Sonne, womit mit deinen 1,5k ohnehin nur 1,5V entstehen würden, was ein
> OPV mit entsprechender Betriebsspannung lässig verarbeiten kann.

Ich würde auch gerne größere Widerstandswerte in der Rückkopplung 
verwenden. Nur wird dann mein Rechtecksignal total verschliffen. Meine 
Zeitkonstante wird dann zu groß. Wie schaffe ich es 5MHz oder mehr durch 
den OP zu bekommen, und trotzdem große Widerstandswerte zu verwenden, um 
eine größere Verstärkung (bessere Empfindlichkeit) zu bekommen?
Eine größere Sperrspannung an der Photodiode soll erstmal ausgeschlossen 
werden. Gibt es dann überhaupt eine Möglichkeit?


Vielen Dank schonmal für die Antworten!

: Bearbeitet durch User
Autor: ArnoR (Gast)
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Bruno K. schrieb:
> Wie schaffe ich es 5MHz oder mehr durch
> den OP zu bekommen, und trotzdem große Widerstandswerte zu verwenden, um
> eine größere Verstärkung (bessere Empfindlichkeit) zu bekommen?
> Eine größere Sperrspannung an der Photodiode soll erstmal ausgeschlossen
> werden. Gibt es dann überhaupt eine Möglichkeit?

Der Cf (dein C2) wird bestimmt durch die Eingangskapazität des OPV und 
die Kapazität der Photodiode. Du kannst die Photodiode bootstrappen und 
damit deren wirksame Kapazität auf 1/10 oder so bringen. Evtl. gibt's 
auch OPV mit kleinerer Eingangskapazität, weiß ich aber nicht, verwende 
kaum OPVs. Ich habe in der Firma mal einen diskreten 200MHz-TIA mit 2k 
Transimpedanz gebaut, geht also.

Autor: Falk B. (falk)
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@Bruno K. (b0bbyr4y)

>>>Als nächstes wollte ich mich um eine Gleichlichtunterdrückung kümmern.
>>>Die erste Idee, war ein Hochpass hinter den Transimpedanzverstärker zu
>>>setzen, der mir den Gleichanteil wegfiltert.
>
>> Eher nicht.

>Auch nicht, wenn mein TIA nicht übersteuert?

Dann geht das schon.

>Zeitkonstante wird dann zu groß. Wie schaffe ich es 5MHz oder mehr durch
>den OP zu bekommen, und trotzdem große Widerstandswerte zu verwenden, um
>eine größere Verstärkung (bessere Empfindlichkeit) zu bekommen?

OPV mit mehr Bandbreite nutzen.

Autor: Jens G. (jensig)
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>Ich würde auch gerne größere Widerstandswerte in der Rückkopplung
>verwenden. Nur wird dann mein Rechtecksignal total verschliffen. Meine
>Zeitkonstante wird dann zu groß. Wie schaffe ich es 5MHz oder mehr durch
>den OP zu bekommen, und trotzdem große Widerstandswerte zu verwenden, um
>eine größere Verstärkung (bessere Empfindlichkeit) zu bekommen?
>Eine größere Sperrspannung an der Photodiode soll erstmal ausgeschlossen
>werden. Gibt es dann überhaupt eine Möglichkeit?

Mit Ausschluß der Sperrspannung schließt Du aber schon eine recht 
effektive Möglichkeit aus. Bis jetzt hast Du ja wohl noch gar keine 
Sperrspannung, also läuft die wohl im reinen Kurzschlußbetrieb. Also hat 
die schonmal 11pF. Würdest Du die an nur 5V ranhängen (bzw. Deine 
BEtriebsspannung), würde die schonmal nur noch irgendwas um die 4pF 
haben. Käme noch die Input-C des OPV dazu, und sonstige parasitäre C's.

Tust Du bis jetzt nur simulieren? Oder auch in echt? Mit dem angegebenn 
LT6230-10 (wenn es wirklich diese Variante ist) sollte man auch noch bei 
deutlich höherem Rf weit in den MHz-Bereich kommen.
Als ich mal mit PD+TIA rumgespielt hatte (eigentlich immer noch), hatte 
ich mit dem OPA657, Rf=4,4MOhm (2,2+2,2), und ebendieser SFH213 auch 
schon irgendwas über 1MHz erreicht.


ArnoR (Gast) schrieb:

>Der Cf (dein C2) wird bestimmt durch die Eingangskapazität des OPV und
>die Kapazität der Photodiode. Du kannst die Photodiode bootstrappen und
>damit deren wirksame Kapazität auf 1/10 oder so bringen. Evtl. gibt's

Mit Bootstrapping hatte ich auch schon herumgespielt. Der Effekt ist 
aber scheinbar eher negativ (wird also eher schlechter), da wir es hier 
ja bereits mit recht niedrigem C zu tun haben (und ich bei meiner 
Schaltung je nach Rf schon lässig weit im MHz-Bereich war). Bei meiner 
Internetrecherche fand ich kein Beispiel, wo die Gesamteingangs-C unter 
75pF lag. Hat vermutlich seinen Grund ...

Autor: Falk B. (falk)
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Hmm. Der im Schaltplan eingezeichnete LT6230 hat 215 MHZ GBP. Mit 1,5k 
Rückkopplung sollte man SPIELEND ein 1 MHz Rechtecksignal mit 
ausreichend guten Flanken übertragen können. Denn bei 1 MHz reichen 
vielleicht 50ns Anstiegszeit, das sind ~7MHz Bandbreite. Da stimmt was 
mit dem Modell nicht.

Autor: Falk B. (falk)
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@Jens G. (jensig)

>Mit Ausschluß der Sperrspannung schließt Du aber schon eine recht
>effektive Möglichkeit aus.

Eben. Wenn man mal die Diagramme der diversen Photodioden anschaut, dann 
halbieren die schon bei 2-5V Sperrspannung ihre Sperrschichtkapazität!

Einfach den +Eingang per Spannungsteiler auf VCC/2 legen, fertig sind 
2,5V Sperrspannung!

Autor: Jens G. (jensig)
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@Falk Brunner (falk)

>Hmm. Der im Schaltplan eingezeichnete LT6230 hat 215 MHZ GBP. Mit 1,5k
>Rückkopplung sollte man SPIELEND ein 1 MHz Rechtecksignal mit

Er hat sogar den LT6230-10 - also nochmal Faktor 7 höher. Deswegen 
fragte ich, ob die Ergebnisse nur aus der Simu stammen, oder auch in 
Echt so sind.

Autor: ArnoR (Gast)
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Jens G. schrieb:
> Mit Bootstrapping hatte ich auch schon herumgespielt. Der Effekt ist
> aber scheinbar eher negativ (wird also eher schlechter), da wir es hier
> ja bereits mit recht niedrigem C zu tun haben (und ich bei meiner
> Schaltung je nach Rf schon lässig weit im MHz-Bereich war). Bei meiner
> Internetrecherche fand ich kein Beispiel, wo die Gesamteingangs-C unter
> 75pF lag. Hat vermutlich seinen Grund ...

Na wie du meinst. Schau mal in AoE (III) Seite 547/548, Kap. 8.11.9. Nur 
weil du es nicht hinkriegst oder nichts findest, muss es also Mist sein?

In dem anderen Thread hatte ich schon gezeigt, dass es funktioniert. 
Auch privat habe ich solche Sachen mit viel besseren Ergebnissen als mit 
einfachen TIA-Schaltungen aufgebaut. Beispielsweise habe ich eine BPW34 
samt Verstärker auf eine äquivalente Eingangskapazität von ~100fF 
gebracht.

Autor: Jens G. (jensig)
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@ArnoR (Gast)

>Na wie du meinst. Schau mal in AoE (III) Seite 547/548, Kap. 8.11.9. Nur
>weil du es nicht hinkriegst oder nichts findest, muss es also Mist sein?

Nö, von Mist habe ich nicht gesprochen. Ich gehe nur nach meinen 
Experimenten erstmal davon aus, daß es bei bereits geringen Kapazitäten 
scheinbar gewisse Grenzen zu geben scheint.

>In dem anderen Thread hatte ich schon gezeigt, dass es funktioniert.

Alles klar - in dem anderen Thread ...
(wobei ich schon ahne, welchen Thread Du da meinst)

>Auch privat habe ich solche Sachen mit viel besseren Ergebnissen als mit
>einfachen TIA-Schaltungen aufgebaut. Beispielsweise habe ich eine BPW34
>samt Verstärker auf eine äquivalente Eingangskapazität von ~100fF
>gebracht.

Dann hast Du doch sicherlich auch einen Schaltplan, den Du hier zeigen 
könntest.

Autor: Jens G. (jensig)
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>Na wie du meinst. Schau mal in AoE (III) Seite 547/548, Kap. 8.11.9. Nur
>weil du es nicht hinkriegst oder nichts findest, muss es also Mist sein?

So, noch mal dazu. Habe mir jetzt mal diese Quelle angeschaut, und finde 
da wieder nur die altbekannten Varianten mit Bootstrap, Kaskode, wie sie 
zuhauf im Internet zu finden sind.
Und wie meine Befürchtung jetzt bestätigt wurde, wird da auch wieder nur 
mit Monsterphotodioden im Bereich von etlichen 100pf bis nF gespielt, 
damit Bootstrap, Kaskode ordentlich Wirkung zeigen können.
Und wenn man sich die Formel CIN(effective) ≈ 1/10*CPD + Crss + CAMP 
anschaut, dann sollte klar sein, daß die Wirkung bei PDs mit nur wenigen 
pF wie die erwähnte SFH213 eben recht begrenzt ist.

Autor: ArnoR (Gast)
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Jens G. schrieb:
> Und wenn man sich die Formel CIN(effective) ≈ 1/10*CPD + Crss + CAMP
> anschaut, dann sollte klar sein, daß die Wirkung bei PDs mit nur wenigen
> pF wie die erwähnte SFH213 eben recht begrenzt ist.

Deswegen sprach ich oben auch von diskreten Schaltungen. Da kann man 
viel kleinere Eingangskapazitäten als mit OPV erreichen.

Autor: ArnoR (Gast)
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Jens G. schrieb:
> Und wie meine Befürchtung jetzt bestätigt wurde, wird da auch wieder nur
> mit Monsterphotodioden im Bereich von etlichen 100pf bis nF gespielt,

Deine Schlußfolgerung ist genau falsch herum. Das Boostrapping 
funktioniert bei jeder kapazitiven Größenordnung. Man verwendet 
beispielhaft die großen Photodioden, weil eben gerade dort die 
Kapazitätsreduktion um den Faktor ~10 so wichtig ist und man die 
Grenzfrequenz näherungsweise ebenfalls um diesen Faktor vergrößert, da 
die anderen Kapazitäten vergleichsweise klein sind.

Bei so kleinen Dioden wie der SFH 213 ist das Verhältnis zwar 
schlechter, aber wenn die Gesamtkapazität von vielleicht 16pF auf 7pF 
reduziert wird, ist das schließlich auch eine deutliche Verbesserung.

Autor: Bademeister (Gast)
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ArnoR schrieb:
> In dem anderen Thread hatte ich schon gezeigt, dass es funktioniert.
> Auch privat habe ich solche Sachen mit viel besseren Ergebnissen als mit
> einfachen TIA-Schaltungen aufgebaut. Beispielsweise habe ich eine BPW34
> samt Verstärker auf eine äquivalente Eingangskapazität von ~100fF
> gebracht.

Magst Du verraten, was da als Eingangstransistor zum Einsatz gekommen 
ist? Ich hab häufiger schonmal nach JFETs mit kleinen Kapazitäten 
gesucht, aber nichts so gutes gefunden. Und soweit ich weiß, kann man 
die Eingangskapazität des Verstärkers selbst nicht mit einer 
Trickschatung isolieren, oder?

Autor: pA-philer (Gast)
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Ein spannendes Thema!

Bademeister schrieb:
> Magst Du verraten, was da als Eingangstransistor zum Einsatz gekommen
> ist? Ich hab häufiger schonmal nach JFETs mit kleinen Kapazitäten
> gesucht, aber nichts so gutes gefunden. Und soweit ich weiß, kann man
> die Eingangskapazität des Verstärkers selbst nicht mit einer
> Trickschatung isolieren, oder?

Vielleicht hat sich ArnoR an den Hinweisen in Philip Hobbs
"Building Electro-optical Systems" ISBN 0470402296 orientiert.
Dort wird im Kapitel 18 (Front Ends) eine Schaltung gezeigt, die eine 
Bootstrap-Schaltung mittels Superbeta-Transistor (MPSA18) besitzt und 
bei der die Photodiode mit einer Kaskode (BFG25A/X oder BFG505 fuer 
hoehere Stroeme) an den OpAmp (LF357A) angeschlossen ist, wobei die 
Kaskode zur Linearisierung einen leichten Bias-Strom fuehrt 
(Parallelpfad zur PD), der durch eine Stromquelle kompensiert wird, die 
den Strom am negativen Eingang des OpAmp einspeist (Fig 18.12).

Hobbs hat auch ein kuerzeres Paper zu PD Front-Ends mit Kaskode 
veroeffentlicht (Werbung fuer das Buch), in dem diese Schaltung (fast 
identisch) vorgestellt wird:
https://electrooptical.net/static/oldsite/www/frontends/frontends.pdf

Der Autor schreibt kurz, dass ev. ein BF862, 2SK369 (JFETs) oder NE3509 
(HJFET) geeignet ist, falls Kaskode mit FET gewuenscht.

Im Buch gibt es eine Konzeptschaltung, bei der eine diskrete Variante 
gezeigt wird, die das Rauschen grosser Rueckkoppelwiderstaende vermeidet 
(Fig 18.14).

Auch ich waere sehr an ArnoRs Erfahrungen und weiteren Quellen 
interessiert.

Gruss
 pA-philer

Autor: Jens G. (jensig)
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ArnoR (Gast) schrieb:

>Deine Schlußfolgerung ist genau falsch herum. Das Boostrapping
>funktioniert bei jeder kapazitiven Größenordnung. Man verwendet

Habe ich auch nix anderes behauptet, auch wenn meine Ergebnisse mit 
"Low-C" PDs teilweise eher 0 Wirkung ergaben. Aber inzwischen habe ich 
eine Idee, woran es gelegen haben könnte, daß die Verbesserung nicht 
wenigstens etwas positiv war - da muß ich wohl noch mal basteln und 
testen ...

>beispielhaft die großen Photodioden, weil eben gerade dort die
>Kapazitätsreduktion um den Faktor ~10 so wichtig ist und man die

Die Reduktion um Faktor 10 ist zwar das wichtigste, aber die Beispiele 
gehen logischerweise auch immer von großen Dioden aus, weil sich nur 
damit eindrucksvolle Reduktionen zeigen lassen.

>Grenzfrequenz näherungsweise ebenfalls um diesen Faktor vergrößert, da
>die anderen Kapazitäten vergleichsweise klein sind.

>Bei so kleinen Dioden wie der SFH 213 ist das Verhältnis zwar
>schlechter, aber wenn die Gesamtkapazität von vielleicht 16pF auf 7pF
>reduziert wird, ist das schließlich auch eine deutliche Verbesserung.

Du gehst von denkbar falschen Ausgangsgrößen aus, wenn es um die vom TO 
genannte SFH213 geht. Er hat zwar keine Vorspannung für die PD, aber das 
sollte er als erstes nutzen, da dies die geringsten Nebenwirkungen bei 
nicht zu übertreffender Einfachheit und mit rel. großem Effekt ist.
Mit Vorspannung 5V hat die knapp 4pF, und nehmen wir 4pF für OPV und 
Streu an. Dann kannst Du von mir aus die Cpd von 4pF vielleicht zehnteln 
(0,4pF), aber da der nun verwendete Transistor auch so seine Opfer 
verlangt, und vielleicht 1-2pF einbringt (bei der gern genommenen BF862 
sinds rund 2pF), haben wir im ganzen eine Reduktion von 8pF auf 6,4pF. 
Dieses Verhältnis sieht nun nicht mehr so toll aus wie deine 16/7.


@ Bademeister (Gast)

>ArnoR schrieb:
>> In dem anderen Thread hatte ich schon gezeigt, dass es funktioniert.
>> Auch privat habe ich solche Sachen mit viel besseren Ergebnissen als mit
>> einfachen TIA-Schaltungen aufgebaut. Beispielsweise habe ich eine BPW34
>> samt Verstärker auf eine äquivalente Eingangskapazität von ~100fF
>> gebracht.

>Magst Du verraten, was da als Eingangstransistor zum Einsatz gekommen
>ist? Ich hab häufiger schonmal nach JFETs mit kleinen Kapazitäten
>gesucht, aber nichts so gutes gefunden. Und soweit ich weiß, kann man
>die Eingangskapazität des Verstärkers selbst nicht mit einer
>Trickschatung isolieren, oder?

Er schrieb von "äquivalenter" Eingangskapazität. Das ist also nicht die 
C eines einzelnen Transistors, sondern ergibt sich erst durch die 
Verstärkungseffekte in einem Bootstrap, oder durch Mitkopplung nahe 1 
(also kurz vorm Oszillieren). Ist daselbe Bootstrap-Prinzip wie bei 
einfachen Transistorverstärkerstufen mit Rückkopplung Emitter auf Basis 
zur Erhöhung des Eingangswiderstands.
Die Schaltung, bei der er die 100fF angibt, ist die hier:
Beitrag "Re: Photodioden-Frontend hohe Empfindlichkeit, mittlere Bandbreite?"


@ pA-philer (Gast)

>Vielleicht hat sich ArnoR an den Hinweisen in Philip Hobbs
>"Building Electro-optical Systems" ISBN 0470402296 orientiert.
>Dort wird im Kapitel 18 (Front Ends) eine Schaltung gezeigt, die eine

Das ist zum großen Teil daselbe wie die Quelle, die Arno nannte (AoE 
(III) Seite 547/548, Kap. 8.11.9)

>Bootstrap-Schaltung mittels Superbeta-Transistor (MPSA18) besitzt und
>bei der die Photodiode mit einer Kaskode (BFG25A/X oder BFG505 fuer
>hoehere Stroeme) an den OpAmp (LF357A) angeschlossen ist, wobei die
>Kaskode zur Linearisierung einen leichten Bias-Strom fuehrt

Das ist nicht primär zur Linearisierung, sondern weil sonst die inneren 
R's des Transistors bei kleinerem/keinem Strom zu hoch werden, und damit 
mit der Cpd eine tiefere Grenzfrequenz bescheren würde.

>(Parallelpfad zur PD), der durch eine Stromquelle kompensiert wird, die
>den Strom am negativen Eingang des OpAmp einspeist (Fig 18.12).

: Bearbeitet durch User
Autor: ArnoR (Gast)
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Jens G. schrieb:
> Die Schaltung, bei der er die 100fF angibt, ist die hier:
> Beitrag "Re: Photodioden-Frontend hohe Empfindlichkeit, mittlere
> Bandbreite?"

Nein, das ist die nicht. Nur weil dort auch von 100pF als Cf in einer 
klassischen TIA-Schaltung die Rede war, kannst du das nicht mit 
äquivalenter Eingangskapazität in meiner ganz anderen Schaltung 
gleichsetzen. Ich schrieb oben doch auch "diskrete Schaltung" und nicht 
OPV.

Autor: ArnoR (Gast)
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Jens G. schrieb:
> Du gehst von denkbar falschen Ausgangsgrößen aus, wenn es um die vom TO
> genannte SFH213 geht.

Der TO hat eine kapazitätsvermindernde Sperrspannung ausgeschlossen, und 
genau davon bin ich ausgegangen und habe die Bootstrapschaltung 
vorgeschlagen. Ich selbst habe gar nichts vorgegeben.

Jens G. schrieb:
> Mit Vorspannung 5V hat die knapp 4pF, und nehmen wir 4pF für OPV und
> Streu an. Dann kannst Du von mir aus die Cpd von 4pF vielleicht zehnteln
> (0,4pF), aber da der nun verwendete Transistor auch so seine Opfer
> verlangt, und vielleicht 1-2pF einbringt (bei der gern genommenen BF862
> sinds rund 2pF), haben wir im ganzen eine Reduktion von 8pF auf 6,4pF.
> Dieses Verhältnis sieht nun nicht mehr so toll aus wie deine 16/7.

Warum hörst du nicht auf, die Bedingungen so zu manipulieren, dass du 
recht behältst? Ich weiß auch, dass eine Vorspannung die Kapazität 
drastisch verringert und mache das wenn möglich auch.

Und wenn man auf geringste Kapazitäten Wert legt, nimmt man natürlich 
nicht solche blöden Schaltungen die noch etliche pF zur Diode dazutun.

Autor: ArnoR (Gast)
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Bademeister schrieb:
> Magst Du verraten, was da als Eingangstransistor zum Einsatz gekommen
> ist? Ich hab häufiger schonmal nach JFETs mit kleinen Kapazitäten
> gesucht, aber nichts so gutes gefunden.

Ich habe einen BF244A eingesetzt. Ein 2N5485 wäre sicher noch besser 
geeignet, habe aber keine.

> Und soweit ich weiß, kann man
> die Eingangskapazität des Verstärkers selbst nicht mit einer
> Trickschatung isolieren, oder?

Doch man kann. Stell dir einfach vor, der gesamte Eingangsteil des 
Verstärkers wird gebootstrapt.

pA-philer schrieb:
> Vielleicht hat sich ArnoR an den Hinweisen in Philip Hobbs
> "Building Electro-optical Systems" ISBN 0470402296 orientiert.

Nein, hat er nicht. Die wären auf Grund der um Größenordnungen kleineren 
Ströme (ca. 1nA) auch nicht geeignet.

Autor: pA-philer (Gast)
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ArnoR schrieb:

> Doch man kann. Stell dir einfach vor, der gesamte Eingangsteil des
> Verstärkers wird gebootstrapt.

Also vom Konzept her so?

Autor: ArnoR (Gast)
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pA-philer schrieb:
> Also vom Konzept her so?

Nein. Deine Schaltung macht nichts außer die Kapazität zu vergrößern. Du 
hast eine virtuelle Masse am -Eingang des rechten OPV und daran liegt ja 
schon die PD. Und genau dieses Potential koppelst du nun mit dem linken 
OPV wieder auf die PD.

Autor: pA-philer (Gast)
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ArnoR schrieb:
> pA-philer schrieb:
>> Also vom Konzept her so?
>
> Nein. Deine Schaltung macht nichts außer die Kapazität zu vergrößern. Du
> hast eine virtuelle Masse am -Eingang des rechten OPV und daran liegt ja
> schon die PD. Und genau dieses Potential koppelst du nun mit dem linken
> OPV wieder auf die PD.

Ich haette gedacht, das waere nur so, wenn der TIA Opamp ideal ist. Im 
realen Fall wuerde ich aber am -Eingang durchaus Spannungsschwankungen 
erwarten. Der linke Opamp sollte diese mitkoppeln und damit das 
frequenzabhaengige Verhalten vom TIA OpAmp kompensieren.
War aber auch nur ein spontaner Gedanke.
Greifst Du bei Deinem Konzept das Signal nach der Eingangsschaltung 
deines diskreten TIA ab und koppelst es auf einem ersten Rueckkoppelpfad 
kapazitiv auf den Eingang zurueck und fuehrst einen zweiten 
Rueckkoppelpfad ueber die Ausgangsstufe an der dann Rf und Cf haengen?

Autor: Dieter (Gast)
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Die Technik wird übrigens schon lange bei Weihnachts-LED-Beleuchtungen 
verwendet. Die LED wird über einen Schaltwandler aus 1,5V Batterien 
gespeist. Die IR-Fernbedienung verursacht Ströme im Bereich von wenigen 
µA.  Die (leuchtende) LED fungiert auch als IR-Empfänger. In dem Falle 
gibt es außer einem DC-Offset, auch noch Störungen des Schaltwandlers 
und es funktioniert trotzdem.

Autor: pA-philer (Gast)
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Hier noch eine Bootstrap-Variante aus einem NIST Paper,
die in diesem interessanten Thread besprochen wird
(falls die Diode floaten darf):
https://e2e.ti.com/support/amplifiers/high_speed_amplifiers/f/10/t/274824

Autor: Jens G. (jensig)
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nicht lesenswert
>(falls die Diode floaten darf):

Naja, die Bootstrapschaltungen beruhen ja gerade darauf, daß die PD 
(deren "Masse") floaten darf. Hat jedenfalls kein direktes 
Massepotential o.ä.

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