Hallo,
ich möchte testweise einen Transimpedanzverstärker für eine Fotodiode
aufbauen. Ich habe mir dazu hier einige Beiträge angesehen - kann aber
bei weitem nicht behaupten alles verstanden zu haben.
U.a. bin ich in folgendem Dokument auf die Unterscheidung gestoßen, die
Diode im "photovoltaic mode" (nicht vorgespannt) und "photoconductive
mode" (vorgespannt) zu betreiben.
https://www.mikrocontroller.net/attachment/12494/PhotodiodeAmplifers.pdf
Wenn ich mir die meisten Schaltungsvorschläge ansehe, scheint der
"photovoltaic mode" weniger verbreitet zu sein, obgleich er Vorteile in
Bezug auf Rauschen und Linearität haben soll. Als Nachteil wird
schlechtere Geschwindigkeit (Bandbreite) genannt.
Meine Frage: kann man da irgendeine konkrete Zahl zur Bandbreite im
"photovoltaic mode" sagen? Angenommen ich wüsste die Kapazität meiner
Diode (weiß ich leider nicht), könnte man dann darüber eine
Überschlagsrechnung anstellen?
Danke für alle Hinweise!
UweBonnes schrieb:> Les Dir die Applikationsschriften der Hersteller zu> Transimpedanzverstaerkern durch und verfolge die Quellenangaben.
Ein sehr sinnvoller Hinweis! (Mann O Mann!)
Lux schrieb:> Diode im "photovoltaic mode" (nicht vorgespannt) und "photoconductive> mode" (vorgespannt) zu betreiben.
Das hab ich in der Form so noch nie gehört.
> Wenn ich mir die meisten Schaltungsvorschläge ansehe, scheint der> "photovoltaic mode" weniger verbreitet zu sein,
Kann sein, muß nicht.
> Meine Frage: kann man da irgendeine konkrete Zahl zur Bandbreite im> "photovoltaic mode" sagen?
Grob geschätzt ist sie direkt proportional zur Summe aller
Eingangskapazitäten, sprich Prohotdiode + OPV + Layout.
> Angenommen ich wüsste die Kapazität meiner> Diode (weiß ich leider nicht), könnte man dann darüber eine> Überschlagsrechnung anstellen?
Ja. siehe Oben.
Die Kapazität ist abhängig von der Spannung, wg der Breite der
Sperrschicht. Im (vermutlich photovoltaic) Durchlaßrichtung ist die
Kapazität am größten.
Die Kapazität wirkt sich bei höherer Signaländerung (Spannung) mehr aus
als in (vermutlich photoconductive) Sperrichtung.
Das heißt, beste Ergebnisse gibt es bei konstanter Spannung in
Sperrichtung, der Strom ist das Signal. Läßt sich einfach mit einem
Operationsverstärker zum Spannungssignal wandeln. {Nun frage bitte, was
ein Operationsverstärker ist}
> Angenommen ich wüsste die Kapazität meiner
Diode (weiß ich leider nicht), könnte man dann darüber eine
Überschlagsrechnung anstellen?
Ja.
In der Formel geht die Diodenkapazität, das GBW (Bandbreite) des Opamps,
der Rückkopplungswiderstand Rf und die Parallelkapazität Cf ein.
>Das heißt, beste Ergebnisse gibt es bei konstanter Spannung in>Sperrichtung, der Strom ist das Signal. Läßt sich einfach mit einem>Operationsverstärker zum Spannungssignal wandeln.
Das wäre dann der vom TO genannte TIA.
>{Nun frage bitte, was ein Operationsverstärker ist}
Das ist das große Dreieck in der Mitte des TIA ;-)
Falk B. schrieb:> Grob geschätzt ist sie direkt proportional zur Summe aller> Eingangskapazitäten, sprich Prohotdiode + OPV + Layout.
... umgekehrt proportional ...
Je mehr Kapazität, um so kleiner die Bandbreite ;-)
Helmut S. schrieb:>> Angenommen ich wüsste die Kapazität meiner> Diode (weiß ich leider nicht), könnte man dann darüber eine> Überschlagsrechnung anstellen?>> Ja.>> In der Formel geht die Diodenkapazität, das GBW (Bandbreite) des Opamps,> der Rückkopplungswiderstand Rf und die Parallelkapazität Cf ein.
Hab jetzt die Formel wieder gefunden.
Seite 36
http://quantum-technologies.iap.uni-bonn.de/de/diplom-theses.html?task=download&file=281&token=3503f1fbe5aa860b672254bbd7721b88
Cin = Cdiode +Czuleitung +Cpcbleitung + Cinopamp
Cf Kondnenator parallel Rf
Cf = sqrt(Cin/(2*pi*Rf*GBW))
f3dB = sqrt(GBW/(2*pi*Rf*Cin))
Lux schrieb:> Wenn ich mir die meisten Schaltungsvorschläge ansehe, scheint der> "photovoltaic mode" weniger verbreitet zu sein
Photovoltaic wird nur an einer Stelle genutzt: In Solarmodulen.
TIA ist immer photoconductive, da auch ohne Vorspannung (biased) der
Strom durch den Gegenkopplungswiderstand dem Photostrom entspricht und
die Spannung über der Photodiode gegen Null geht, die Photodiode also im
Kurzschluss arbeitet. Der TIA misst immer Kurzschlusstrom.
Biased (also mit Vorspannung) hat den Vorteil, dass die Sperrzone
vergrößert wird und damit die Kapazität sinkt, die Diode wird schneller.
Allerdings steigt das Rauschen.
Es gibt aber noch andere Methoden, um beim TIA die Grenzfrequenz zu
erhöhen. Das ist aber nur bei hohen Verstärkungen nötig.
Für einfach mal Probieren ist es egal, ob Du die Diode biased oder an
GND betreibst.
Karl K. schrieb:> Biased (also mit Vorspannung) hat den Vorteil, dass die Sperrzone> vergrößert wird und damit die Kapazität sinkt, die Diode wird schneller.
Wobei der Effekt allerdings gering ist, da der OPV eine virtuelle Masse
darstellt, d.h. einen Kurzschluß bildet. Es liegt also keine Spannung
an, die die Kapazität umladen muß.
Mit Vorspannung hat man bei kleinen Signalen das Problem, daß ein
Sperrstrom fließt, der stark temperaturabhängig ist. Auch braucht man
für die Vorspannung einen negative Spannungsversorgung oder eine
schwebende Masse.
Lux schrieb:> Wenn ich mir die meisten Schaltungsvorschläge ansehe, scheint der> "photovoltaic mode" weniger verbreitet zu sein
Ich verwende sie jedenfalls.
Die Anzahl der Google-Treffer hat aber auch rein gar nichts mit der
tatsächlichen Verwendung zu tun. Da sind viele Edelbastler-Schaltungen
unterwegs.
Peter D. (peda) schrieb:
>Karl K. schrieb:>> Biased (also mit Vorspannung) hat den Vorteil, dass die Sperrzone>> vergrößert wird und damit die Kapazität sinkt, die Diode wird schneller.>Wobei der Effekt allerdings gering ist, da der OPV eine virtuelle Masse>darstellt, d.h. einen Kurzschluß bildet. Es liegt also keine Spannung>an, die die Kapazität umladen muß.
Der Effekt ist gering? Wieso das? Ob eine S5971 15pF@0V oder 3pF@10V hat
(also 1:5), macht schon einen deutlischen Unterschieht, egal, ob der OPV
eine virtuelle Masse bildet. Diese Masse ist ja trotzdem nicht ideal,
also gibt's immer noch einen Spannungshub, der zu einem Umladen des C
führt, was bei einem TIA natürlich deutlich geringer ist als bei einer
PD an einem rel. hochohmigen Arbeitswiderstand. Aber der Effekt bzw.
Unterschied als Verhältnis ist bei beiden derselbe.
>Mit Vorspannung hat man bei kleinen Signalen das Problem, daß ein>Sperrstrom fließt, der stark temperaturabhängig ist. Auch braucht man>für die Vorspannung einen negative Spannungsversorgung oder eine>schwebende Masse.
Wenn es einem um Geschwindigkeit geht, nimmt man solche kleinen
Nachteile in Kauf.
Jens G. schrieb:> Wenn es einem um Geschwindigkeit geht, nimmt man solche kleinen> Nachteile in Kauf.
Und wenn nicht, dann verzichtet man besser auf die Nachteile.
Welche Schaltung besser ist, kann man nur nach der gewünschten Anwendung
beurteilen.
Meine Anwendung dient zur Messung und nicht zur Datenübertragung.
Peter D. schrieb:> Es liegt also keine Spannung> an, die die Kapazität umladen muß.
Die Kapazität wird ja auch nicht durch Spannung umgeladen, sondern durch
Strom.
Die Sperrschichtkapazität bildet mit dem Innenwiderstand einen Tiefpass.
Und wenn man die Bandbreite erhöhen will, muss man die Kapazität
verringern.
Peter D. schrieb:> Meine Anwendung dient zur Messung und nicht zur Datenübertragung.
Meine auch, und da es ein Lock-In zur photometrischen Messung mit
moduliertem Licht ist, wird die Diode vorgespannt, um die Bandbreite zu
erhöhen.
Karl K. schrieb:> Die Kapazität wird ja auch nicht durch Spannung umgeladen, sondern durch> Strom.
Damit ein Strom fließt, muß sich aber die Spannung am Kondensator
ändern. Diese Änderung ist beim TIA sehr klein.
Ich messe im kHz-Bereich mit einem TLC2272 als OPV, da spielt die
Kapazität keine Rolle. Ich habe noch einen zusätzlichen Kondensator
(1nF) in der Gegenkopplung zur Störunterdrückung.
Peter D. schrieb:> Damit ein Strom fließt, muß sich aber die Spannung am Kondensator> ändern.
Häh? Photostrom!
Die Umladung erfolgt ja nicht durch eine von außen angelegte Spannung,
sondern durch die durch den Photoelektrischen Effekt freigesetzten
Elektronen.
Damit außen ein Photostrom messbar ist, müssen die freigesetzten
Elektronen erstmal die Sperrschichtkapazität umladen, und je kleiner
diese ist, desto schneller geht das.
Guckst Du Ersatzschaltbild bei Wikipedia.
Karl K. (karl2go) schrieb:
>>Peter D. schrieb:>> Damit ein Strom fließt, muß sich aber die Spannung am Kondensator>> ändern.>Häh? Photostrom!>Die Umladung erfolgt ja nicht durch eine von außen angelegte Spannung,>sondern durch die durch den Photoelektrischen Effekt freigesetzten>Elektronen.
Ja, und was denkste denn, was eine Umladung bewirkt? Eine
Spannungsänderung am C. Und damit dies nicht passiert, haben wir den
TIA, der das weitestgehenst unterdrückt. Es passiert also im Idealfall
keine Umladung mehr, denn der Strom soll ja nicht zum Laden dienen,
sondern dem TIA.
>Damit außen ein Photostrom messbar ist, müssen die freigesetzten>Elektronen erstmal die Sperrschichtkapazität umladen, und je kleiner>diese ist, desto schneller geht das.
Nö, müssen nicht. Deswegen wird ausen ein Kurzschluß angelegt, damit die
freigesetzten Strömling da hindurch müssen, und nicht sinnlos die
C-Platten umladen.
>Guckst Du Ersatzschaltbild bei Wikipedia.
Ja, guck mal, und verstehe.
Jens G. schrieb:> Und damit dies nicht passiert, haben wir den> TIA, der das weitestgehenst unterdrückt.
Schön für Dich. Ändert jetzt genau was dran, dass bei geringerer
Sperrschichtkapazität der TIA schneller reagieren kann und die
Grenzfrequenz steigt?
