Hallo liebes Forum, ich beziehe meine Frage mal auf diesen Foreneintrag: Beitrag "Photodiode + op. Frage zu bias strom" Dazu hätte ich eine konkrete Bauteilfrage zum Entwurf einer Photodioden-TIA-Schaltung. Ich bin mir nicht sicher, ob ich bei einer TIA Schaltung vorrangig auf den niedrigen Biasstrom achten soll, oder ob die Offsetspannung einen ähnlich großen Anteil an einer genauen Strommessung hat? Ich habe die Bauteile LTC6268 und den OPA376 im Blick. der LTC6268 hat einen extrem geringen Biasstrom, aber im Vergleich zum OPA376 eine recht hohe Offsetspannung. Der OPA376 allerdings hat dafür einen höheren Biasstrom. Wie gesagt bin ich mir nun unsicher, welches Bauteil besser zur Photostrommessung geeignet ist, wenn es um die Helligkeitsmessung geht. P.S.: ich weiß, es gibt noch viele andere Parameter wie Rauschen, Linearität oder Bandbreite, aber ich möchte es speziell bei den beiden beschriebenen Parametern verstehen. Schon mal vielen Dank für die Erklärung! :)
Das hängt doch von der konkreten Beschaltung ab, die wir nicht kennen. Ein Offset geht direkt ins Ergebnis mit ein. Also 10mV Offset erscheint auch als 10mV am Ausgang. Bias geht über die TIA-Verstärkung ins Ergebnis ein. 1µA Bias macht bei 1MOhm also 1V am Ausgang. Wobei sich dieser Bias meistens über einen gleichhohen R am nichtinvertierenden Eingang deutlich verringern läßt. Da kannste also mal selbst schauen, was bei deiner Beschaltung so rauskommt. Grob könnte man sagen: geringe TIA-Verstärkung -> geringen Offset wählen große TIA-Verstärkung -> eher geringeren Bias wöhlen
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Und man kann diese parasitären Effekte durch entsprechende Beschaltung mindern. Zunächst einmal klemmt man den positiven Eingang nicht direkt auf Ground sondern auf eine Potischaltung welches zwischen + und - Ub des OPVs liegt. Damit kann man dann die Offset-Spannung weg kompensieren. Als nächstes klemmt man das Poti nicht direkt an den positiven Eingang des TIAs sondern über einen Widerstand der dem Feedback-Widerstand entspricht an den positiven Eingang. Damit lässt sich dann der Effekt des Bias-Input-Stroms kompensieren. Das kann dann so wie im Anhang aussehen.
Jens G. schrieb: > Bias geht über die TIA-Verstärkung ins Ergebnis ein. 1µA Bias macht bei > 1MOhm also 1V am Ausgang Meistens will man Strom messen, daher TIA für Photodioden. Dann ist es umgekehrt: der Biasstrom ist unmittelbar der Messfehler, und die Offsetspannung kann man in Strom umrechnen - wenn man die Beschaltung kennt. Georg ElecEddy R. schrieb: > Wie gesagt bin ich mir nun unsicher, welches Bauteil besser zur > Photostrommessung geeignet ist Das kann man eben nicht allgemein sagen. Der Rückkopplungswiderstand des TIA liegt ja i.A. aus anderen Gründen fest, also berechnet man den Einfluss der Offsetspannung und wählt den OPV, der die geringste Summe aus BIAS und berechnetem Offset-Fehlerstrom ergibt. Georg
Alles klar. Erstmal vielen Dank für die Hilfe! Ich versuche das alles mal umzusetzen und zu konkretisieren. Vielleicht kommen dann noch Fragen auf...
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Hallo zusammen, ich habe jetzt mal die Anforderungen des Systems in Kombination mit den Bauteilen gesetzt. Das System soll eine Bandbreite von mind. 15kHz haben. Es werden Stromimpulse verschiedener Amplituden, welche 1ms lang sind und dann eine Pause von 0,2ms haben, gemessen. Ich habe mich jetzt vorerst für den LTC2050HV entschieden. Der OPA376 hat ähnlich gute Eigenschaften. Mit diesen OPVs ergibt sich im schlimmsten Fall ein Fehler aus Offsetspannung und Biasstrom von ca. 0,7%. Anbei habe ich mal die Schaltung, sowie die Simulation mit Input und Output gepackt. Das Überschwingen hält sich meiner Meinung nach auch in Grenzen. Ich denke bei diesen Fehlergrößen würde ich auf eine zusätzliche Offsetkorrektur verzichten. Hättet ihr denn noch Anmerkungen, was typischerweise noch beachtet werden sollte?
Ich würde auf keinen Fall einen zero-offset Opamp an einer hochohmigen Quelle nehmen. Deshalb wird ja auch kein Beispiel mit einer Photodiode in den application-notes erwähnt. Such dir auf jeden Fall einen Opamp ohne "zero-offset". Hinweis: Alle zero-offset Opamps schalten mit einigen kHz die Eingangsstufe permanent um. Das führt am Ausgang zu unnötigen kleinen Spikes - vor allem, wenn die Quelle und/oder der Rückführungswiderstand auch noch hochohmig ist. Genau das Problem hast du.
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Helmut S. schrieb: > Such dir auf jeden Fall einen Opamp ohne "zero-offset". Vielen Dank erstmal. :) Eine kurze Verständnisfrage. Mit zero-offset meinst du, dass die Eingänge des OPV bis in die negative Versorgungsspannung reichen können? Also was bspw. mit (V+ + 0.3V) to (V– – 0.3V) angegeben wird? Macht es dann einen Unterschied wenn ich den OPV mit Dual-Supply betreibe, oder spielt das keine Rolle bzgl. der Spikes? Ich dachte das Überschwingen wird durch Cf bekämpft, da die Photodiodenschaltung und die Feedbackelemente zu einer Überhöhung der Sprungantwort führen. Aber 100% verstanden hab ich das noch nicht so wirklich, wenn die Spikes eigentlich direkt von der internen OPV-Beschaltung kommen. Dann werde ich mich mal nach einem entsprechenden anderen OPV umsehen. Dann muss ich dem Signal nur vor dem Transimpedanzverstärker einen Stromoffset geben, richtig?
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Der LTC2050 ist eine auto zero OP. D.h. da ist intern eine Art Schopper-Stabiliesierung drin und die führt zu unschönen Stromspitzen und auch zu relativ viel Bias Strom und rauschen. So wie es aussieht hat der Detektor mit 100 pF recht viel Kapazität. So auf den ersten Blick würde ich einen OP wie TLC271, OPA197 oder OPA134 in Betracht ziehen. Es kommt vor allem darauf an wie wichtig die DC / Niederfrequenz-Eigenschaften sind, und welche Versorgungsspannung man hat. Einen Offset würde ich eher hinter dem OP oder ggf. am nicht invertierenden Eingang kompensieren.
ElecEddy R. schrieb: > Eine kurze Verständnisfrage. Mit zero-offset meinst du, dass die > Eingänge des OPV bis in die negative Versorgungsspannung reichen können? Nein: manche speziellen OPV eliminieren den Offset auf dem Weg, den Helmut oben beschrieben hat. Helmut S. schrieb: > Hinweis: Alle zero-offset Opamps schalten mit einigen kHz die > Eingangsstufe permanent um. Einige Hersteller nenen das "zero offset", andere - wie bei deinem LTC2050 - "zero drift". Die Beschreibung dazu im Datenblatt des LTC2050 ist im Abschnitt "Clock Feedthrough, Input Bias Current". Du nutzt einen Feedback-Widerstand von 1MOhm. Der Dunkelstrom deiner Photodiode kann einige 100nA groß sein, das ergibt einen Signaloffset von einigen 100mV. Dagegen ist der Offsetfehler des OPV weitgehend vernachlässigbar, du musst keinen Zero-Offset OPV nehmen, der weit unter 1mV kommt.
>schlimmsten Fall ein Fehler aus Offsetspannung und Biasstrom von ca. >0,7%. % ist eine relative Angabe. Auf was beziehen sich also die 0,7%? Ist die PDB-C107 ein echtes PD-Model in Spice? Oder nur eine Platzhalterdiode? Es scheint letzteres zu sein, also fehlt dann noch deren parasitäre Kapazität in der Simulation. Das DB sagt 100pF bei Vr=10V, also wird es bei 0V eher ein paar 100pF sein (ich schätze mal so 300-400pF - das DB sagt da leider nix dazu). Und Abblock-Cs fehlen auch in der Betriebsspannung (vielleicht erst "in echt" wichtig). Achim S. (Gast) schrieb: >Du nutzt einen Feedback-Widerstand von 1MOhm. Der Dunkelstrom deiner >Photodiode kann einige 100nA groß sein, das ergibt einen Signaloffset >von einigen 100mV. Dagegen ist der Offsetfehler des OPV weitgehend >vernachlässigbar, du musst keinen Zero-Offset OPV nehmen, der weit unter >1mV kommt. Da die PD aber mit Vr=0V betrieben wird, gibt's keinen Dunkelstrom. Darf man also gern vernachlässigen.
Lurchi schrieb: > Der LTC2050 ist eine auto zero OP. D.h. da ist intern eine Art > Schopper-Stabiliesierung drin und die führt zu unschönen Stromspitzen > und auch zu relativ viel Bias Strom und rauschen. Ok. Dazu werde ich mich auf alle Fälle nochmal genauer informieren müssen. Hab ich tatsächlich noch nie was mit zutun gehabt. > So auf den ersten Blick würde ich einen OP wie TLC271, OPA197 oder > OPA134 in Betracht ziehen. Es kommt vor allem darauf an wie wichtig die > DC / Niederfrequenz-Eigenschaften sind, und welche Versorgungsspannung > man hat. Die Versorgungsspannung sollte im Bereich von maximal ±5V. Die DC-Anteile der Signale werden für die weitere Auswertung zum Normieren der AC-Anteile benötigt. > Einen Offset würde ich eher hinter dem OP oder ggf. am nicht > invertierenden Eingang kompensieren. Ok, aber theoretisch brauche ich glaube ich gar keinen Signaloffset, da das Signal aus der Photodiode eigentlich immer positiv ist.
Achim S. schrieb: > Du nutzt einen Feedback-Widerstand von 1MOhm. Der Dunkelstrom deiner > Photodiode kann einige 100nA groß sein, das ergibt einen Signaloffset > von einigen 100mV. Dagegen ist der Offsetfehler des OPV weitgehend > vernachlässigbar, du musst keinen Zero-Offset OPV nehmen, der weit unter > 1mV kommt. Der Dunkelstrom meiner Diode dürfte nicht vorhanden sein, da ohne Vorspannung betrieben.
Lurchi schrieb: > So auf den ersten Blick würde ich einen OP wie TLC271, OPA197 oder > OPA134 in Betracht ziehen. Ich werde sie mir auf alle Fälle anschauen. Danke :)
Jens G. schrieb: > % ist eine relative Angabe. Auf was beziehen sich also die 0,7%? Genau, diese Angabe bezieht sich auf den Eingangsstrom, welcher in der Photodiode entsteht. > Ist die PDB-C107 ein echtes PD-Model in Spice? Oder nur eine > Platzhalterdiode? Es scheint letzteres zu sein, also fehlt dann noch > deren parasitäre Kapazität in der Simulation. Das DB sagt 100pF bei > Vr=10V, also wird es bei 0V eher ein paar 100pF sein (ich schätze mal so > 300-400pF - das DB sagt da leider nix dazu). Genau, es ist nur ein Platzhalter. Der Diode hatte ich mit der .model Funktion eine Cj von 100pF gegeben. Aber da hast du natürlich recht. Bei Betrieb im Quasi-Kurzschluss sollte Cj größer angenommen werden. Schande über das Datenblatt! > Und Abblock-Cs fehlen auch in der Betriebsspannung (vielleicht erst "in > echt" wichtig). Diese wollte ich nicht in die Simulation packen. Die kommen dann erst bei der reellen Schaltung zum Einsatz.
>> Einen Offset würde ich eher hinter dem OP oder ggf. am nicht >> invertierenden Eingang kompensieren. > > Ok, aber theoretisch brauche ich glaube ich gar keinen Signaloffset, da > das Signal aus der Photodiode eigentlich immer positiv ist. Das sollte nicht schnippisch klingen. Sorry. Ich hab mich nur selbst grad nochmal gefragt, ob ich überhaupt einen Offset brauche, wenn das Signal immer >=0 ist.
ElecEddy R. (forrix) schrieb: >Jens G. schrieb: >> % ist eine relative Angabe. Auf was beziehen sich also die 0,7%? >Genau, diese Angabe bezieht sich auf den Eingangsstrom, welcher in der >Photodiode entsteht. Da der Photostrom aber offensichtlich variable ist, und der Offset von diesem auch nicht abhängt, ist diese Angabe immer noch irgendwie Blödsinn. Jedenfalls können wir damit immer noch nix anfangen. >>> Einen Offset würde ich eher hinter dem OP oder ggf. am nicht >>> invertierenden Eingang kompensieren. >> >> Ok, aber theoretisch brauche ich glaube ich gar keinen Signaloffset, da >> das Signal aus der Photodiode eigentlich immer positiv ist. > >Das sollte nicht schnippisch klingen. Sorry. Ich hab mich nur selbst >grad nochmal gefragt, ob ich überhaupt einen Offset brauche, wenn das >Signal immer >=0 ist. Ich weis zwar nicht, was Du konkret mit Offset meinst. Der Offset, den der OPV erzeugt (als Fehlerspannung), oder meinst Du einen künstlichen Offset, damit der -Eingang nicht auf Potential der neg. Betriebsspannung hängt? Ersteres addiert sich einfach nur zum Ausgangssignal. Wenn das Ausgangssignal paar Volt haben kann, und der Offset ist im DB nur mit paar mV angegeben, das haste eigentlich nur 0,1% Fehler bei Vollausschlag. Wenn Du letzteres meinst, dann kommt es auf den OPV an, ob der eine Eingangsspannung am unteren Rail verträgt, und wie weit er am Ausgang bis an den unteren Rail rankommt, bzw. Dir das ausreicht, was der kann. Das könnte man mit einem künstlichen Offset erschlagen, oder aber auch einfach mit einer neg. Betriebsspannung, wozu ich eher neigen würde, wenn der Ausgang unbedingt bis mindesten 0V runter können muß.
ElecEddy R. schrieb: > Achim S. schrieb: >> Du nutzt einen Feedback-Widerstand von 1MOhm. Der Dunkelstrom deiner >> Photodiode kann einige 100nA groß sein, das ergibt einen Signaloffset >> von einigen 100mV. Dagegen ist der Offsetfehler des OPV weitgehend >> vernachlässigbar, du musst keinen Zero-Offset OPV nehmen, der weit unter >> 1mV kommt. > > Der Dunkelstrom meiner Diode dürfte nicht vorhanden sein, da ohne > Vorspannung betrieben. Der ist trotzdem vorhanden, liegt an der Raumtemperatur. Die Vorspannung macht den Dunkelstrom zwar größer, aber er ist nicht null.
>Der ist trotzdem vorhanden, liegt an der Raumtemperatur. Die Vorspannung >macht den Dunkelstrom zwar größer, aber er ist nicht null. Und was soll das für ein Strom sein? Ich hoffe, Du meinst jetzt nicht einen Rauschstrom ...
Jens G. schrieb: >>Der ist trotzdem vorhanden, liegt an der Raumtemperatur. Die Vorspannung >>macht den Dunkelstrom zwar größer, aber er ist nicht null. > > Und was soll das für ein Strom sein? Ich hoffe, Du meinst jetzt nicht > einen Rauschstrom ... Hä? Doch, natürlich, der der durch die Temperatur entsteht. Das ist der Dunkelstrom. Der ist auch bei größeren Photodioden (wie wohl hier der Fall, sonst wäre die Kapazität nicht 100 pF) durchaus relevant.
>Hä? Doch, natürlich, der der durch die Temperatur entsteht. Das ist der >Dunkelstrom. Der ist auch bei größeren Photodioden (wie wohl hier der >Fall, sonst wäre die Kapazität nicht 100 pF) durchaus relevant. Ich glaube, Du haust hier zwei Sachen in einen Topf. Der Dunkelstrom lt. DB bei irgendeiner Sperrspannung ist ein Gleichstrom, und kein Rauschstrom. Und wenn Dein "Doch, natürlich, der der durch die Temperatur entsteht." sich auf den Rauschstrom bezieht, dann ist das ein Wechselstrom, der üblicherweise mit dem NEP (NoiseEquivalentPower) ausgedrückt wird, und kein Gleichstrom wie der Dunkelstrom (auch wenn der NEP sich auf eine aquivalente Strahlungsleistung bezieht, die dem Noise bei Dunkelheit entspricht).
Jens G. schrieb: >>Hä? Doch, natürlich, der der durch die Temperatur entsteht. Das ist der >>Dunkelstrom. Der ist auch bei größeren Photodioden (wie wohl hier der >>Fall, sonst wäre die Kapazität nicht 100 pF) durchaus relevant. > > Ich glaube, Du haust hier zwei Sachen in einen Topf. > Der Dunkelstrom lt. DB bei irgendeiner Sperrspannung ist ein > Gleichstrom, und kein Rauschstrom. Das bleibt sich gleich, bzw. das ist dasselbe, das sind keine zwei unterscheidlichen Effekte. Das mit dem Dunkelstrom assoziierte Rauschen entsteht durch die Elektronenzahl-Statistik, und wächst mit der Wurzel des Dunkelstroms. Also ja, der Dunkelstrom ist im Mittel ein Gleichstrom, aber das diesem Gleichstrom inhärente Rauschen halt nicht. Wenn in 1s 1e12 Elektronen Dunkelstrom fließen, hat der eine Standardabweichung von sqrt(1e12) = 1e6 Elektronen, und das ist das durch den Dunkelstrom verursachte Rauschen. Für die konkrete Amplitude braucht man dann natürlich noch die betrachtete Bandbreite. Die Ursache dieses Stroms ist wie gesagt thermisch, er entsteht, weil Elektronen statistisch aufgrund der Temperatur genug Energie haben, um die Bandlücke des Siliziums zu überwinden. Das ist natürlich ein stochastischer Prozess und deshalb rauscht es. Und wie gesagt, das kann je nach Aufbau durchaus relevant sein, bzw. man braucht keine allzu exotischen Aufbauten damit es relevant wird. Du kannst das NEP aus dem Datenblatt auch aus dem angegebenen Dunkelstrom berechnen, wenn du es richtig machst.
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>Das bleibt sich gleich, bzw. das ist dasselbe, das sind keine zwei >unterscheidlichen Effekte. Das mit dem Dunkelstrom assoziierte Rauschen >entsteht durch die Elektronenzahl-Statistik, und wächst mit der Wurzel >des Dunkelstroms. Ja, Shotnoise eben ... das ist aber, soweit ich es kenne, nicht der NEP. >Du kannst das NEP aus dem Datenblatt auch aus dem angegebenen >Dunkelstrom berechnen, wenn du es richtig machst. Ohh, wie denn? Das ist mir irgendwie neu. Aber was hat das alles mit dem Offset zu tun, um den es doch eigentlich ging?
Jens G. schrieb: >>Das bleibt sich gleich, bzw. das ist dasselbe, das sind keine zwei >>unterscheidlichen Effekte. Das mit dem Dunkelstrom assoziierte Rauschen >>entsteht durch die Elektronenzahl-Statistik, und wächst mit der Wurzel >>des Dunkelstroms. > > Ja, Shotnoise eben ... das ist aber, soweit ich es kenne, nicht der NEP. Hm, soweit ich weiß schon. Was soll das sonst sein? >>Du kannst das NEP aus dem Datenblatt auch aus dem angegebenen >>Dunkelstrom berechnen, wenn du es richtig machst. > > Ohh, wie denn? Das ist mir irgendwie neu. Nehmen wir mal zB die SFH203P, die hat 0.029 pW/sqrt(Hz) NEP angegeben und 1 nA Dunkelstrom. 1 nA = 1e-9 / c.elementary_charge Elektronen = 6.24 e9 Elektronen. Davon die Wurzel sind 7.9e4 Elektronen, sind 1.26e-14 A/sqrt(Hz). Multipliziert man das jetzt noch mit der Faktor für die Photonenenergie von 1.46 eV für die angegebene Wellenlänge und teilt durch die QE, landet man bei 0.021 pW/sqrt(Hz), das ist schon ziemlich nahe an dem NEP dran. Ganz stimmen wird's nicht, weil wir ja jetzt die Empfindlichkeitskurve und die variable Photonenenergie nicht mit einbezogen haben etc, aber ich denke es wird deutlich dass das eigentlich dieselbe Sache ist. Ich hab jetzt auch nicht lange genug darüber nachgedacht, ob man vielleicht durch QE² teilen muss ... > Aber was hat das alles mit dem Offset zu tun, um den es doch eigentlich > ging? Es ging um den Input Offset Current, und das hat insofern mit dem Thema zu tun, als dass es nichts bringt, diesen Offsetstrom weit unter den Dunkelstrom der Photodiode zu optimieren. Und damit, dass der OP offenbar denkt, es gebe keinen Dunkelstrom wenn man keine Bias-Spannung an die Photodiode anlegt, was für das Design von Photodioden-Frontends auch eine ungünstige Fehlinformation ist.
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Naja, Kunststück (wobei ich Deinem Rechengang noch nicht so richtig folgen konnte)). Das funktioniert nur (sinnvoll), bzw. kann nur funktionieren,, wenn Dunkelstrom und NEP bei derselben Vorspannung gemessen werden, was bei der SHF203 der Fall ist. Das, was Du ausgerechnet hast, ist der NEP basierend auf dem Schrotrauschen des Dunkelstroms bei Vr=20V. Wenn der NEP im DB aber bei ganz anderen Bedingungen definiert ist, wie bei der PDB-C107, dann würde das nicht mehr ganz passen, auch wenn es bei dieser PDB-C107 zufällig auch noch einigermaßen passen würde, wenn ich es richtig überschlage. Würden wir den NEP der SHF203 auch bei Vr=0V messen, wie man es im DB der PDB-C107 gemacht hat, dann käme die Berechnung auf Grundlage des spezifizierten Dunkelstroms bei 20V nicht mehr hin. Dann hätte man zumindest bei den besseren PD eher das thermische Rauschen des Shunt-R der PD, welche das Rauschen dominiert, und damit den NEP dominiert. >> Aber was hat das alles mit dem Offset zu tun, um den es doch eigentlich >> ging? >Es ging um den Input Offset Current, und das hat insofern mit dem Thema >zu tun, als dass es nichts bringt, diesen Offsetstrom weit unter den >Dunkelstrom der Photodiode zu optimieren. Und damit, dass der OP Doch, der Dunkelstrom wird bei irgendeiner Vorspannung definiert, während die Schaltung eher bei 0V operiert, wo dieser Dunkelstrom gegen 0 geht (sieht man ja auch schön bei der SFH203). Und das Rauschen (was ja nicht der Dunkelstrom ist) representiert sich ja nur als dem Offset überlagerte Rauschspannung am Ausgang. Und die kann man ja wegfiltern, wenn man die Bandbreite nicht braucht.
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Jens G. schrieb: > Naja, Kunststück (wobei ich Deinem Rechengang noch nicht so richtig > folgen konnte)). Das funktioniert nur (sinnvoll), bzw. kann nur > funktionieren,, wenn Dunkelstrom und NEP bei derselben Vorspannung > gemessen werden, was bei der SHF203 der Fall ist. Naja, und? Mein Argument ist doch, dass die beiden Werte im Wesentlichen äquivalent sind. Wenn du sie unter unterschiedlichen Bedingungen misst, sind sie das natürlich nicht mehr ... was ist jetzt dabei der Punkt? > Würden wir den NEP der SHF203 auch bei Vr=0V messen, wie man es im DB > der PDB-C107 gemacht hat, dann käme die Berechnung auf Grundlage des > spezifizierten Dunkelstroms bei 20V nicht mehr hin. Jo. Wenn du es bei 500 Grad misst oder an einer Kartoffel auch nicht? Ich verstehe nicht, worauf du hinaus willst. Das NEP verändert sich genauso wie der Dunkelstrom mit den Bedingungen. > Dann hätte man > zumindest bei den besseren PD eher das thermische Rauschen des Shunt-R > der PD, welche das Rauschen dominiert, und damit den NEP dominiert. Hast du mal ein Beispiel einer Photodiode, wo dieses Rauschen dominiert oder zumindest relevant ist?
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