Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Simpler Transimpedanzverstärker zur Lichtmessung


Announcement: there is an English version of this forum on EmbDev.net. Posts you create there will be displayed on Mikrocontroller.net and EmbDev.net.
von Nicolas L. (nico_bl)


Bewertung
1 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo zusammen,

Ich habe eine Fotodiode, deren spektrale Empfindlichkeit ich kenne, und 
möchte einen I/V Wandler dazu bauen (idealerweise mit wenig Aufwand...).

Die Anforderungen sind folgende:

eingehendes Signal:
Fotostrom typ. 1...500 nA

Bandbreite: 20 Hz sind schon ok

Ausgang:
- lineare Verstärkung des eingehenden Stroms, zumindest in dem typischen 
Bereich, in eine Spannung zwischen 0 und 10V. (0...5V wären auch noch 
o.k.)

- SNR: 20-30 dB wären o.k.

Es kann auch zur Übersteuerung kommen (unsachgemäßer Gebrauch), dann 
können bis zu 1mA Fotostrom am Eingang liegen - in dem Fall soll weder 
die Schaltung zerhauen werden, noch die Ausgangsspannung außerhalb 
0...10VDC landen.

Als Spannungsquelle würde ich drei AA Zellen benutzen.

Am bequemsten wäre es für mich, wenn es ICs gäbe, die diese 
Anforderungen - ich glaube, sie sind bescheiden - schon als standalone 
erfüllen. Es soll nix overengineered werden.

VG!

: Verschoben durch Moderator
von H.Joachim S. (crazyhorse)


Bewertung
1 lesenswert
nicht lesenswert
Bis auf die Begrenzung macht dir das erstmal so gut wie jeder OP mit 
ausreichend kleinem Eingangsstrom, hier also eher ein FET-Variante.
Die Forderung nach einer Ausgangsspannung bis 5 oder besser 10V bei 3xAA 
ist ein bisschen blöd. Noch mal überdenken oder einen Aufwärtswandler 
dazu. Hat man aber nicht unbedingt gerne in empfindlichen 
Messschaltungen, geht aber zu machen.
4xAA und 5V Ausgangsspannung wäre perfekt, und die Begrenzung auf max. 
6V ergibt sich von alleine :-)

: Bearbeitet durch User
von MaWin (Gast)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Begrenzung auf 5 oder 10V erreicht man, in dem der OpAmp eine so geringe 
Versorgungsspannung bekommt, dass er nicht mehr liefern kann. Z.B. ein 
R2R an 5V oder ein single supply an 12V für 10V.

von Harald (Gast)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Sind Alternativvorschläge zugelassen oder genau diese Fotodiode mit 
Verstärker? Hängt das letztlich an einem Controller?  Ich frage lieber 
vorher, sonst gibt es wieder Belehrungen.

von Forist (Gast)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Nicolas L. schrieb:
> einen I/V Wandler ...

Du solltest dich entscheidenen:

Entweder I/U-Wandler oder A/V-Wandler. Alles andere wäre inkonsequent.

von georg (Gast)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Nicolas L. schrieb:
> noch die Ausgangsspannung außerhalb
> 0...10VDC landen.

Das ist natürlich leicht machbar, aber messtechnisch keine gute Idee: 
wie willst du dann die Übersteuerung erkennen?

Georg

von Sven B. (scummos)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Vermutlich begrenzt sich das für fast jeden OP selbst nach oben, weil 
der Strom dann einfach über die Clamp-Dioden am Eingang abfließt. 1mA 
ist ja nicht viel.

von Nicolas L. (nico_bl)


Bewertung
-1 lesenswert
nicht lesenswert
Danke für eure Antworten schonmal!

Der Reihe nach.

1. Natürlich, irgendwie stand ich auf dem Schlauch. Obwohl ich selber 
vorgegeben hatte, dass mein IC schon durch die Batteriespannung 
limitiert ist...

2.Eine Alternative zu genau dieser Fotodiode gibt es nicht.

3.Ja, das ist im Deutschen formal inkonsistent: Ich meine natürlich 
einen I/U Wandler oder einen englischen I/V Wandler :p

4.Die Übersteuerung wird man schon erkennen: Diese hohen Fotoströme 
werden nur dann auftreten, wenn jemand das Messinstrument kurzzeitig an 
eine ganz andere Lichtquelle hält. Diese Ausnahme vom Regelfall wird für 
den Benutzer offensichtlich sein.


Am allerliebsten wäre es mir, wie gesagt, wenn ich das ganze auf einem 
IC vorfände. Lochrasterplatinen habe ich noch, aber den Lötaufwand will 
ich auf ein Minimum reduzieren... Vorschläge sind gern gesehen!

von Purzel H. (hacky)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Eben. Ein FetOpAmp, mit Rail-to-rail.

von H.Joachim S. (crazyhorse)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Möchtest du denn den einen Widerstand, den der OP noch benötigt, auch 
schon drin haben??
Oder findest du keinen, der obige Anforderungen erfüllt? Es gibt 
Hunderte davon...

von UweBonnes (Gast)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
1. Mit drei AA Zellen wirst Du in keinem Fall 10 Volt Ausgangsspannung 
erreichen.
2. Ohne negative Versorgungsspannung wird es so bei unter 1 Volt mit 
normalen oder vielleicht 50 mV bei RRI OP mau.

von Jens G. (jensig)


Bewertung
1 lesenswert
nicht lesenswert
Du schriebst, 5V sind auch ok. Nimm also einen OPV wie den OP350, und 
baue daraus einen Standard-TIA, mit Rf=10MHz (-> 5V@500nA), PD mit 
Katode an inv. Eingang, und betreibe den mit 5V.
Rf sollte ein Metallfilm-R o.ä. sein, zumindest kein Kohleschicht, denn 
bei den geforderten nur 20Hz rumpelts sonst recht stark.
Und nicht vergesse - ordentlich abschirmen. Also Metallgehäuse 
drumherum, wo nur die PD rausguckt, und Gehäuse an Masse, sonst fängst 
Du Dir alles mögliche ein (wegen SNR), nur nicht den Photostrom.
1mA Photostrom sind kein Problem, und zerlegt auch nix. Der OPV geht 
einfach an den Anschlag (also Ua=5V), mehr passiert dabei nicht.
Und natürlich Betriebsspannung ordentlich mit einem C abblocken (evtl. 
RC-Kombination).

Ach ja: bei all den Betrachtungen wäre ja noch von Interesse, was für 
eine PD das überhaupt ist. Wenn das so ein Monster mit einem Haufen 
Sperrschichtkapazität wäre (womöglich bis weit in den nF-Bereich), dann 
müsste man sich sicherlich noch Gedanken zur Kompensationskapazität 
parallel zum Rf machen.

: Bearbeitet durch User
von Alexander S. (alesi)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo,

hier etwas Literatur

Photodiode Front Ends
https://electrooptical.net/static/oldsite/www/frontends/frontends.pdf

Bob Pease, What's All This Transimpedance Amplifier Stuff, Anyhow?
https://www.electronicdesign.com/analog/whats-all-transimpedance-amplifier-stuff-anyhow-part-1

oder Angebote von fertigen Verstärkern

http://www.physimetron.de/transimpedanzverstaerker.html

https://www.femto.de/de/produkte/stromverstaerker/feste-verstaerkung-bis-400-khz-lca.html

Oder hier im Forum nach TIA oder Ph(F)otodiodenverstärker suchen.

von Michael M. (Firma: Autotronic) (michael_metzer)


Angehängte Dateien:

Bewertung
1 lesenswert
nicht lesenswert
Nicolas L. schrieb:
> Am bequemsten wäre es für mich, wenn es ICs gäbe, die diese
> Anforderungen - ich glaube, sie sind bescheiden - schon als standalone
> erfüllen. Es soll nix overengineered werden.

Als Bausatz bietet die Ladesystemtechnik so etwas an.

https://www.ladesystemtechnik.de/ev-plug-technologies/dc-verstaerker-mit-standby-funktion-187?c=20

Aber du kannst dir auch aus dem Downloadbereich einfach nur die 
Anleitung kostenlos runterladen und nur die Bauteile für den 
Transimpedanzverstärker (TIA) gezielt aus deiner Krabbelkiste entnehmen, 
dann wird es noch kostengünstiger.

von Harald W. (wilhelms)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Michael M. schrieb:

> Als Bausatz bietet die Ladesystemtechnik so etwas an.
>
> 
https://www.ladesystemtechnik.de/ev-plug-technologies/dc-verstaerker-mit-standby-funktion-187?c=20

Ich vermute mal, beim LM358 ist der Offsetstrom zu hoch.
Da sollte man schon einen moderneren OPV nehmen.

von H.Joachim S. (crazyhorse)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Und Bias...
Ich nehme den ollen LM358 immer noch gerne und für viele Sachen ist der 
durchaus ausreichend (und gar nicht so schlecht wie ihn viele immer 
reden), hier ist der nicht geeignet.

von Harald W. (wilhelms)


Bewertung
1 lesenswert
nicht lesenswert
H.Joachim S. schrieb:

> Ich nehme den ollen LM358 immer noch gerne und für viele Sachen ist der
> durchaus ausreichend.

Das stimmt, zumal er so einigermaßen bis 0V runterkommt. Man sollte
nicht immer Bauelemente nehmen, die so gut wie möglich sind, sondern
nur welche, die so gut wie nötig sind.

> hier ist der nicht geeignet.

Ja, zur Messung von 1nA Fotostrom sicher nicht.

von Nicolas L. (nico_bl)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo zusammen,

nach einem verlängerten Wochenende sind nun meine Teile für das Gehäuse 
bald da, und ich habe auch die techn Daten der Photodiode ermitteln 
können.

Es ist dieses 'Monster': 
http://www.light-flyingtech.com/upfile/201407/53cf181b995f4.pdf

mit 900 pF Sperrschichtkapazität. Ich habe mir den OP-Amp 'TL082' von 
Texas Instruments besorgt. Metallschichtwiderstände hatte ich auch noch, 
10 MOhm sollten gerade so für eine hohe Verstärkung in meinem 
Anwendungsfall reichen.

Insgesamt muss ich sagen, dass es doch einfacher als gedacht war. Mit 
einem breadboard hatte ich ruckzuck einen funktionierenden Schaltkreis - 
hab's lang nicht mehr gemacht!

Jetzt also noch die Frage nach dem passenden Kondensator. Die 
Störungstheorie und den Bode-Plot habe ich noch nicht so ganz 
verstanden. Ich werde vermutlich nicht nur einen multiswitch für den 
gain, sondern auch eine Option für verschiedene Kompensationskapazitäten 
umsetzen.

lg

von H.Joachim S. (crazyhorse)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
TL082?
Der ist ohne negative Versorgung dafür kaum brauchbar. Kann mir nicht 
vorstellen, das funktioniert hat.

von Jens G. (jensig)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Genau - der TL082 taugt nix, wenn die Versorgung nur paar Volt sind. 
Deswegen hatte ich ja extra sowas wie den OP350 vorgeschlagen, welcher 
ein Rail-to-Rail ist. Zumal der TL082 ein Dual-OPV ist.
Zum Feedback-C findest Du die Formel auf der bereits genannten Seite 
https://www.electronicdesign.com/analog/whats-all-transimpedance-amplifier-stuff-anyhow-part-1

von U. M. (oeletronika)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo,
> Nicolas L. schrieb:
> Es ist dieses 'Monster':
> http://www.light-flyingtech.com/upfile/201407/53cf181b995f4.pdf
solche 100mm²-FD habe ich auch schon benutzt.

> mit 900 pF Sperrschichtkapazität.
Wenn die Dynamik in deiner Anwendung nicht ganz ausreicht, müßtest du 
die FD in Sperrichtung etwas vorspannen. Mit etwas weniger Verstärkung 
(1...2MOhm) und einer leichten Nachverstärkung kannst du die Dynamik 
auch verbessern.

> Ich habe mir den OP-Amp 'TL082' von Texas Instruments besorgt.
Der ist dafür bezüglich der notwendigerweise geringen Biasströme 
ausreichend, aber er sollte mit mind. ca. 10...12V versorgt werden.
Da gibt es bessere.

> 10 MOhm sollten gerade so für eine hohe Verstärkung in meinem
> Anwendungsfall reichen.
Ja, passt ungefähr.

> Jetzt also noch die Frage nach dem passenden Kondensator.
Schwingt die Schaltung denn?  Vermutlich wird der TIA so schon stabil 
sein. Nach meiner Erfahrung braucht es max. noch wenige pF über den 
Rückkoppel-R für stabilen Betrieb (einfach ausprobieren!). Bandbreite 
nur so hoch wie nötig einstellen.

> Ich werde vermutlich nicht nur einen multiswitch für den
> gain, sondern auch eine Option für verschiedene Kompensationskapazitäten
> umsetzen.
Wofür dient das? Wird das Signal am Ende von einem uC eingelesen?
Dann wäre es evtl eine einfachere Lösung, die Nachverstärkung über 2 
Kanäle zu führen (z.B. 10-fach, 1-fach)und getrennt einzulesen.
Gruß Öletronika

von Sven B. (scummos)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Ich werfe mal den ADA4350 in den Raum, bin ich neulich bei einer 
ähnlichen Recherche drüber gestolpert. Evtl. ist das ja hier 
interessant.

von Helmut S. (helmuts)


Angehängte Dateien:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Jetzt mal für alle die Schaltung zum experimentieren mit LTspiceXVII. 
Einfach den zip-file entpacken und loslegen. Für die die LTspiceXVII 
nicht kennen, hier der Link zum Download.
https://www.analog.com/en/design-center/design-tools-and-calculators/ltspice-simulator.html


Nachtrag:
Ich hatte im Diodenmodell den Wert M für die Spannungsabhängigkeit der 
Diode nicht angepasst. Deshalb habe ich die korrigierte Schaltung 
"TIA_TL072_PC100-6m.asc" noch angehängt. Bitte diese verwenden.

.model PC100-6 D(Is=0.05n Cjo=900p Rs=1 N=1.5 M=0.75)

: Bearbeitet durch User
von Helmut S. (helmuts)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
> Ich hatte im Diodenmodell den Wert M für die Spannungsabhängigkeit der
Diode nicht angepasst.

Ich hatte im Diodenmodell den Wert M für die Spannungsabhängigkeit der 
Kapazität nicht angepasst.

Antwort schreiben

Die Angabe einer E-Mail-Adresse ist freiwillig. Wenn Sie automatisch per E-Mail über Antworten auf Ihren Beitrag informiert werden möchten, melden Sie sich bitte an.

Wichtige Regeln - erst lesen, dann posten!

  • Groß- und Kleinschreibung verwenden
  • Längeren Sourcecode nicht im Text einfügen, sondern als Dateianhang

Formatierung (mehr Informationen...)

  • [c]C-Code[/c]
  • [code]Code in anderen Sprachen, ASCII-Zeichnungen[/code]
  • [math]Formel in LaTeX-Syntax[/math]
  • [[Titel]] - Link zu Artikel
  • Verweis auf anderen Beitrag einfügen: Rechtsklick auf Beitragstitel,
    "Adresse kopieren", und in den Text einfügen




Bild automatisch verkleinern, falls nötig
Bitte das JPG-Format nur für Fotos und Scans verwenden!
Zeichnungen und Screenshots im PNG- oder
GIF-Format hochladen. Siehe Bildformate.
Hinweis: der ursprüngliche Beitrag ist mehr als 6 Monate alt.
Bitte hier nur auf die ursprüngliche Frage antworten,
für neue Fragen einen neuen Beitrag erstellen.

Mit dem Abschicken bestätigst du, die Nutzungsbedingungen anzuerkennen.