mikrocontroller.net

Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Kapazität Photodiode im Quasi-Kurzschluss


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.
Autor: ElecEddy R. (forrix)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo liebes Forum,

ich würde gerne die Sperrschichtkapazität meiner Photodiode (PDB-C107 
https://lunainc.com/wp-content/uploads/2016/06/Photodiode_PDBC107.pdf) 
vermessen. Diese wird in einem TIA-Schaltkreis im Quasi-Kurzschluss 
betrieben, also ohne Vorspannung.

Im Datenblatt ist leider nur eine Angabe bei einer Vorspannung von 10V 
bei einer Frequenz von 1MHz. Dort liegt sie bei 100pF. Ohne Vorspannung 
müsste der Wert ja viel größer sein. Außerdem hätte ich das Ganze gerne 
bei 1kHz.

Hat jemand von euch einen Ansatz wie man das macht?
Meine zugegeben etwas laienhafte Internetrecherche hat leider zu keinem 
vernünftigen Ergebnis geführt.

Vielen Dank! :)

Autor: jemand (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Bin kein Experte, aber ich würde es über die Impdanz bei Kleinsignal 
(<100mV) probieren.

Hast du einen Frequenzgenerator?

Dann würde ich versuchen, 10k in Serie zu schalten und dann reinen 
AC-Sinus einspeisen und die Amplitude solange aufdrehen, bis 50 oder 
100mV an der Diode erreicht sind.
Du musst die Amplitude an der Diode und die vor dem Vorwiderstand 
messen.
Ich würde mit 100kHz messen, da haben 100pF 15k Impedanz.

Daraus kann man das Z und daraus das C berechnen.

Siehe auch:
https://www.loetstelle.net/grundlagen/rcglied/rcglied.html

Vergiss nicht, die Kapazität des Tastkopfs zu berücksichtigen. Die steht 
im Datenblatt. Der Widerstand des Tastkopfs ist eher vernachlässigbar.

Autor: Helmut S. (helmuts)
Datum:

Bewertung
2 lesenswert
nicht lesenswert
Warum willst du bei 1KHz messen?

Nimm einen Sinusgenerator(Funktionsgenerator) und ein AC-Voltmeter oder 
ein Oszilloskop.


Generator(20mV) ----Ck(100nF)----47kOhm --- Cx---Masse

Die Spannung am Generator messen und die Spannung mit und ohne Cx hinter 
dem Widerstand messen. Aus den gemessenen Spannungen die Kapazität 
berechnen. Dabei muss man natürlich den Eingangswiderstand und die 
Eingangskapazität des Messinstruments berücksichtigen. Den 
Widerstand(47kOhm?) so bemessen, dass die Spannung an Cx ungefähr 30% 
bis 60% der Generatorspannung beträgt damit die Messfehler nicht unnötig 
die Genauigkeit der Bestimmung der Kapazität verschlechtern.

: Bearbeitet durch User
Autor: Elektrofan (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
In der Spec. steht u.a.:

Response Time
bei 10 V Sperrspannung = 190 ns
bei  0 V Sperrspannung =  13 ns

Bei 10 V soll die Sperrschicht Kapazität 100 pF sein =>
bei  0 V dürfte sie in der Gegend von

100pF*190ns/13ns≈ 1,5nF

liegen.

Autor: Helmut S. (helmuts)
Datum:

Bewertung
1 lesenswert
nicht lesenswert
Elektrofan schrieb:
> In der Spec. steht u.a.:
>
> Response Time
> bei 10 V Sperrspannung = 190 ns
> bei  0 V Sperrspannung =  13 ns
>
> Bei 10 V soll die Sperrschicht Kapazität 100 pF sein =>
> bei  0 V dürfte sie in der Gegend von
>
> 100pF*190ns/13ns≈ 1,5nF
>
> liegen.

Faktor 15 bei der Kapazität kommt mir zu groß vor. Faktor 5 hätte ich ja 
noch geglaubt.

: Bearbeitet durch User
Autor: Lurchi (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Die Kapazität hängt nur sehr wenig von der Frequenz ab. D.h man kann die 
Messung auch mit höherer Frequenz oder niedrigerer machen. Niedriger 
wäre ggf. einfacher weil man dann den TIA als fast ideal annehmen kann.

Wenn man den TIA schon hat, kann man den zur Strommessung nutzen und 
einfach die Spannung an der Seite der Diode, die sonst auf GND geht 
langsam modulieren.

Autor: Peter D. (peda)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Helmut S. schrieb:
> Faktor 15 bei der Kapazität kommt mir zu groß vor.

Das kommt schon hin, die Kennlinie ist stark nichtlinear.

Wenn nur 1kHz gefordert sind, spielen die 1,5nF eh keine Rolle.

Autor: Helmut S. (helmuts)
Datum:

Bewertung
1 lesenswert
nicht lesenswert
Peter D. schrieb:
> Helmut S. schrieb:
>> Faktor 15 bei der Kapazität kommt mir zu groß vor.
>
> Das kommt schon hin, die Kennlinie ist stark nichtlinear.
>
> Wenn nur 1kHz gefordert sind, spielen die 1,5nF eh keine Rolle.

Ich habe gerade ein Datenblatt mit der C-Kurve gefunden.
https://media.digikey.com/pdf/Data%20Sheets/Photonic%20Detetectors%20Inc%20PDFs/PDB-C107.pdf

10V
C10 ca. 90pF

0V
C0 ca. 335pF

Das wäre dann ca. Faktor 4 des Verhältnisses C0/C10.

Ich empfehle für eine Simulation bei 10V Sperrspannung 100pF und für 0V 
Sperrspannung 400pF.

Autor: ElecEddy R. (forrix)
Datum:
Angehängte Dateien:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Erstmal vielen Dank für die Kommentare!

Die Einsatzfrequenz ist bei etwa 1kHz, deshalb in diesem Bereich. Aber 
wenn die Kapazität sich sowieso nur ganz minimal aufgrund der Frequenz 
in diesem Bereich ändert, ist das ja wurscht.
Ich habe das ganze mal nach dem Bild im Anhang gemessen und auch 
angegebene Ergebnisse erhalten. Das Tiefpass-System müsste jetzt 
theoretisch nach Cx umgestellt werden, wenn ich das richtig verstanden 
habe.

Ich habe noch 2 Fragen:


1. Was hat es mit den

Helmut S. schrieb:
> Ck(100nF)

auf sich, bzw. wie müsste dieser mit eingerechnet werden?


2. Warum muss die Ausgangsspannung einmal mit und einmal ohne Cx 
gemessen werden?


Ich habe die Messung jetzt aufgrund der Verfügbarkeit mit einer anderen 
Photodiode (PDB-C613-2) gemacht. Das Prinzip änder sich ja nicht.

Autor: Helmut S. (helmuts)
Datum:
Angehängte Dateien:

Bewertung
2 lesenswert
nicht lesenswert
Dein Messaufbau sieht so wie im angehängten Bild aus, falls deine Probe 
auf 10:1 stand. Bei Stellung 1:1 ist der 9MOhm Widerstand gebrückt.

Die Probe hat aber niemals 47pF, wenn die auf 10:1 steht.

Zeig mal einen Auszug aus dem Datenblatt der Probe.

Hast du mit 10:1 oder wegen der kleinen Spannung mit Stellung 1:1 
gemessen?

: Bearbeitet durch User
Autor: ElecEddy R. (forrix)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Guten Morgen,

ja korrekt, mein Fehler. Ich habe mit 1:1 gemessen. Dann wird also aus 
dem R2 in deinem Schaltbild ein Leerlauf, der mit C3 gebrückt wird und 
damit gibt es in der Hinsicht keinen Spannungsteiler mehr.
(die Probe ist die TT-LF 312 von Testec 
https://www.testec.de/assets/pdf/TT-MF/TT-MF-312_Datasheet_DE.pdf)


Die Kabelkapazität Ck hätte ich vielleicht mit 100pF/m angenommen (RG58 
Koaxkabel). Wieso würdest du diese mit 100nF annehmen?


Helmut S. schrieb:
> Das wäre dann ca. Faktor 4 des Verhältnisses C0/C10.
Das mit dem Faktor 4 kommt mir sogar irgendwie bekannt vor, als hätte 
ich das schon mal irgendwo gelesen.


Die Photodiode vermesse ich im Dunkeln, damit die Lichteinstrahlung 
keine Einwirkung hat.

Autor: ElecEddy R. (forrix)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Lurchi schrieb:
> Die Kapazität hängt nur sehr wenig von der Frequenz ab. D.h man kann die
> Messung auch mit höherer Frequenz oder niedrigerer machen.

Lässt sich abschätzen wie wenig die Sperrschichtkapazität von der 
Frequenz abhängt? Also z.B. zwischen DC und 10kHz ist die Änderung < X%.

Autor: Helmut S. (helmuts)
Datum:

Bewertung
1 lesenswert
nicht lesenswert
> Dann wird also aus dem R2 in deinem Schaltbild ein Leerlauf

Falsch.

Der C3 wird kurzgeschlossen, wenn die Probe auf 1:1 gestellt wird.

TT-LF312
Die 47pF sind dann Ck+C4 in meiner Zeichnung.

: Bearbeitet durch User
Autor: GEKU (Gast)
Datum:

Bewertung
1 lesenswert
nicht lesenswert
ich würde zwei dieser Dioden in Serie schalten. Anode mit Anode 
verbunden.

Dann diese Anordnung in eine Brücke schalten und die Spannung der Brücke 
mit bekannten C's auf ein Minimum abgleichen. Kapazität der einzelnen 
Dioden ist wegen der Serienschaltung doppelt groß.

Autor: ElecEddy R. (forrix)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
GEKU schrieb:
> ich würde zwei dieser Dioden in Serie schalten. Anode mit Anode
> verbunden.
>
> Dann diese Anordnung in eine Brücke schalten und die Spannung der Brücke
> mit bekannten C's auf ein Minimum abgleichen. Kapazität der einzelnen
> Dioden ist wegen der Serienschaltung doppelt groß.

Ah ok. Leider habe ich nur eine Diode zur Verfügung. :/

Autor: ElecEddy R. (forrix)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Helmut S. schrieb:
> Der C3 wird kurzgeschlossen, wenn die Probe auf 1:1 gestellt wird.
>
> TT-LF312
> Die 47pF sind dann Ck+C4 in meiner Zeichnung.

Alles klar. Ich rechne mal ein wenig rum und schaue ob was logisches 
raus kommt und würde mich dann nochmal melden.

Autor: GEKU (Gast)
Datum:
Angehängte Dateien:

Bewertung
1 lesenswert
nicht lesenswert
ElecEddy R. schrieb:
> GEKU schrieb:
>> ich würde zwei dieser Dioden in Serie schalten. Anode mit Anode
>> verbunden.
>>
>> Dann diese Anordnung in eine Brücke schalten und die Spannung der Brücke
>> mit bekannten C's auf ein Minimum abgleichen. Kapazität der einzelnen
>> Dioden ist wegen der Serienschaltung doppelt groß.
>
> Ah ok. Leider habe ich nur eine Diode zur Verfügung. :/

Es funktioniert auch mit einer Diode bei 100mV Eingangsspannung.

Man braucht die Spannung zwischen Vout1 und Vout1 nicht genau messen, 
sondern man muss das Minimum ermitteln. Z.B. Differenzmessung mit zwei 
Oszilloskop Proben.
Es ist auch möglich mittels OP die Differenzspannung zu verstärken.
Die mit der Simulation ermittelten 80p stimmen mit dem Datenblatt gut 
überein.

Autor: ElecEddy R. (forrix)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Nochmal Danke für die Vorschläge!
Ich hab es jetzt über die erste Variante rückgerechnet und komme auf ca. 
1,4nF bei der PDB-C613-2.
Das entspricht auch etwa dem Faktor 4, wenn man von den im Datenblatt 
mit 350pF (@10V reverse bias) ausgeht.

Autor: Lurchi (Gast)
Datum:

Bewertung
1 lesenswert
nicht lesenswert
ElecEddy R. schrieb:
> Lurchi schrieb:
>> Die Kapazität hängt nur sehr wenig von der Frequenz ab. D.h man kann die
>> Messung auch mit höherer Frequenz oder niedrigerer machen.
>
> Lässt sich abschätzen wie wenig die Sperrschichtkapazität von der
> Frequenz abhängt? Also z.B. zwischen DC und 10kHz ist die Änderung < X%.

Die einfachen Modelle haben gar keine Frequenzabhängigkeit drin. Ein 
kleiner Effekt könnte durch Rekombinationszentren und ähnliche Niveaus 
in der Bandlücke kommen. Viel sollte das aber nicht sein, denn die 
Verunreinigungen sollten deutlich seltener sein als die übliche 
Dotierung. Für eine schnelle (kurze reverse recovery Zeit) Diode könnte 
das so grob aus dem Bauch geschätzt vielleicht 1 % ausmachen zwischen DC 
und 10 MHz. Photodioden sind üblicherweise aus sehr reinem Material und 
der Effekt sollte einiges kleiner sein - vermutlich kaum zu messen.

Die Kapapazität sollte auch noch etwas von der Temperatur abhängen. 
Soweit ich mich erinnere verschiebt sich die Spannung für konstante 
Kapazität um etwa -2 mV/K (so wie die Vorwärtsspannung), was dann etwa 
+0.3 %/K für die Kapazität bei Null Spannung ausmachen sollte.

Autor: ElecEddy R. (forrix)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Ah ok. Sehr interessant.

Autor: ElecEddy R. (forrix)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Helmut S. schrieb:
> Dein Messaufbau sieht so wie im angehängten Bild aus, falls deine Probe
> auf 10:1 stand. Bei Stellung 1:1 ist der 9MOhm Widerstand gebrückt.
>
> Die Probe hat aber niemals 47pF, wenn die auf 10:1 steht.
>
> Zeig mal einen Auszug aus dem Datenblatt der Probe.
>
> Hast du mit 10:1 oder wegen der kleinen Spannung mit Stellung 1:1
> gemessen?

Eine Frage doch noch zum ESB. Spielt nicht die Shuntresistance der 
Photodiode auch eine Rolle? Bei den kleinen Spannungen müsste diese ja 
relativ hoch sein, oder?

Autor: Helmut S. (helmuts)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
ElecEddy R. schrieb:
> Helmut S. schrieb:
>> Dein Messaufbau sieht so wie im angehängten Bild aus, falls deine Probe
>> auf 10:1 stand. Bei Stellung 1:1 ist der 9MOhm Widerstand gebrückt.
>>
>> Die Probe hat aber niemals 47pF, wenn die auf 10:1 steht.
>>
>> Zeig mal einen Auszug aus dem Datenblatt der Probe.
>>
>> Hast du mit 10:1 oder wegen der kleinen Spannung mit Stellung 1:1
>> gemessen?
>
> Eine Frage doch noch zum ESB. Spielt nicht die Shuntresistance der
> Photodiode auch eine Rolle? Bei den kleinen Spannungen müsste diese ja
> relativ hoch sein, oder?

Der Shunt-Widerstand ist bei der Photodiode PDB-C613-2 ca. 1MOhm. Ein 
paar Prozent Fehler kann das bei der Kapazitätsbestimmung schon geben, 
wenn man mit einem Serienwiderstand von mehreren 10kOhm arbeitet.
https://lunainc.com/wp-content/uploads/2016/06/PDB_C613_2.pdf

: Bearbeitet durch User
Autor: ElecEddy R. (forrix)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Da hast du auch wieder recht.

Nur fürs Verständnis:

Das wären dann ja die 44kOhm im Verhältnis zu den 1M//(1M Eingangswdst. 
Oszi).

Also 44kOhm zu 500kOhm, sprich rund 8% Fehler.

Autor: Helmut S. (helmuts)
Datum:

Bewertung
1 lesenswert
nicht lesenswert
ElecEddy R. schrieb:
> Da hast du auch wieder recht.
>
> Nur fürs Verständnis:
>
> Das wären dann ja die 44kOhm im Verhältnis zu den 1M//(1M Eingangswdst.
> Oszi).
>
> Also 44kOhm zu 500kOhm, sprich rund 8% Fehler.

Zumindest den Einfluß des 1MegOhm Eingangswiderstands vom Oszilloskop 
kann man in der Berechnung der Kapazität gleich berücksichtigen. Damit 
verursacht nur der Shunt-Widerstand einen unbekannten Fehler bei der 
Berechnung der Kapazität.

: Bearbeitet durch User

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]
  • [avrasm]AVR-Assembler-Code[/avrasm]
  • [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.

Mit dem Abschicken bestätigst du, die Nutzungsbedingungen anzuerkennen.