Ich habe dem Basteltrieb nachgegeben und mir in den Kopf gesetzt, einen Breitbandphotodiodenverstärker aus diskreten Kleinsignaltransistoren zu bauen. Anforderungen: - Transimpedance gain >10kOhm - f3dB >50 MHz - Noise so niedrig wie möglich - Basiert auf generell verfügbaren Kleinsignaltransistoren (MMBT3904, PMBT2369, MMBTH10). Jfets habe ich net da... - Kapazität der Photodiode: 5pF (SFH213 mit etwas bias) Um gleich diverse Kommentare vorwegzunehmen: Ich weiß, dass man das heutzutage anders macht. Mir geht es nur darum, etwas mit den Bauteilen, die ich da habe, konkret umzusetzen und dabei etwas über tatsächliche Probleme zu lernen. (Zur Referenz, hier ist ein schneller TIA-Opamp, mit dem alles viel einfacher wäre: https://www.ti.com/product/OPA858.) Anbei mein aktueller Stand: - Einstufiger Emitterverstärker mit Emitter follower zum Entkoppeln des Ausgangs. - Keine Kompensation, da gain über Rf eingestellt wird. - bei Rf=1 kOhm mit PMBT2369 als Transistor erreiche ich laut LTspice f3db ~ 130 MHz, das allerdings ohne parasitics. - In der Schaltungsumsetzung nutze ich noch einen 20 dB LNA, um das Signal weiter zu verstärken. Der LNA erreicht leider nur 86 MHz BW. - Anbei eine Messung an einer LED, die per PWM angesteuert wird. Die rise und fall times sind vermutlich eher durch das Einschaltverhalten der LEDs begrenzt, zeigen aber das mehrere zehn MHz Bandbreite erreicht werden und der TIA stabil ist (kein Ringing). Habe aktuell keine andere Möglichkeit zum Testen. Problematisch ist, dass das GBW das TIA nur ein Rf von ~1kOhm erlaubt, ohne dass die Bandbreite einbricht. Die Transistoren sind aktuell bereits bandbreitenbegrenzend, so dass ein kleineres Rf die Bandbreite nicht wesentlich erhöht. Zur den Fragen: Ich würde gerne das Rf auf >10kOhm erhöhen, um auf den LNA verzichten zu können. Dazu müsste ich den open loop gain des Verstärker deutlich steigern. Was gibt es dazu für Möglichkeiten? - Cascode? - 3stufig? (-> Die Kompensation wird etwas schwierig?) - ??? Kennt jemand Bücher zu Transimpedanzverstärkern mit bipolaren Transistoren? (Ja, die werden vermutlich aus den 60ern oder 70ern stammen)
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Tim . schrieb: > Problematisch ist, dass das GBW das TIA nur ein Rf von ~1kOhm erlaubt, > ohne dass die Bandbreite einbricht. Die Transistoren sind aktuell > bereits bandbreitenbegrenzend, so dass ein kleineres Rf die Bandbreite > nicht wesentlich erhöht. Der 2369a hat zu große Kapazitäten und er macht die ganze Verstärkung. Durch den Miller-Effekt ergibt sich so eine große Eingangskapazität. Viel besser wäre dort ein HF-Transistor mit kleinen Kapazitäten (BF199, BF959, 2SC1730...). Wenn man die Versorgungsspannung etwas erhöht (9V) und in die Emitterleitung des ersten Transistors z.B. eine 3V-Z-Diode legt, bekommt man eine merklich größere Vorspannung an der Photodiode und damit eine viel kleinere Diodenkapazität. Tim . schrieb: > Ich würde gerne das Rf auf >10kOhm erhöhen, um auf den LNA verzichten zu > können. Dazu müsste ich den open loop gain des Verstärker deutlich > steigern. Was gibt es dazu für Möglichkeiten? > > - Cascode? > - 3stufig? (-> Die Kompensation wird etwas schwierig?) > - ??? Vor etlichen Jahren hab ich auch mal sowas gebastelt. War wie beschrieben eine Emitterschaltung mit z-Diode, danach eine gefaltete Kaskode (pnp) mit npn-Stromquelle als Last und ein komplementärer Emitterfolger als Ausgangstreiber. Die Schaltung hatte eine Transimpedanz von 2k und 200MHz Bandbreite.
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Elliot schrieb: > Vor etlichen Jahren hab ich auch mal sowas gebastelt. War wie > beschrieben eine Emitterschaltung mit z-Diode, danach eine gefaltete > Kaskode (pnp) mit npn-Stromquelle als Last und ein komplementärer > Emitterfolger als Ausgangstreiber. Die Schaltung hatte eine > Transimpedanz von 2k und 200MHz Bandbreite. Im Anhang die konkrete Schaltung, die ich mal eben auf deine Wunschwerte (10k-Transimpedanz, 50MHz) umdimensioniert habe.
> Der 2369a hat zu große Kapazitäten und er macht die ganze Verstärkung. > Durch den Miller-Effekt ergibt sich so eine große Eingangskapazität. > Viel besser wäre dort ein HF-Transistor mit kleinen Kapazitäten (BF199, > BF959, 2SC1730...). Ja, das ist leider der schnellste Transistor, den ich gerade in Stückzahlen da habe. Eigentlich ist es ja ein Schalttransistor und das Rauschen ist auch nicht so doll. Ich habe noch ein paar MMBTH10, die werde ich auch testen. > Wenn man die Versorgungsspannung etwas erhöht (9V) und in die > Emitterleitung des ersten Transistors z.B. eine 3V-Z-Diode legt, bekommt > man eine merklich größere Vorspannung an der Photodiode und damit eine > viel kleinere Diodenkapazität. Gute Idee! Elliot schrieb: > Im Anhang die konkrete Schaltung, die ich mal eben auf deine Wunschwerte > (10k-Transimpedanz, 50MHz) umdimensioniert habe. Vielen Dank! Sehr interessante Schaltung. Vor allem den floating bias in der Endstufe mit der LED finde ich sehr interessant. Ist die PP-Endstufe wirklich nötig? Die PD hat bei Dir ja nur 1.5pF. Ich werde auch mal eine gefaltete Kaskode ausprobieren. Muss nur noch einen passenden PNP finden.
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Ich habe mal etwas ausprobiert, was ich aus der CMOS-Schaltungsrechnik als "Regulated Cascode" kenne. Scheint recht gut zu funktionieren. Ich komme mit dem PMBT2369 auf 70MHz 3db, allerdings mit etwas gain peaking geschummelt. Mit MMBTH10 erreicht der TIA 90MHz. Interessanterweise gibt es noch einiges an gain-reserve, die PD kann auch 20pF haben. Allerdings limiteren die Transistoren wieder die Bandbreite. Q3 wird auf Ic ~8.6mA gebiased. Da in der Nähe liegt das hfe Optimum vom PMBT2369 laut Datenblatt. Q3 dominiert das Rauschverhalten. Bei dem aktuellen Bias ist das Rauschen etwas höher als es sein muss, wahrscheinlich wegen des Basisstroms.
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Tim . schrieb: > Die PD hat bei Dir ja nur 1.5pF. Das war noch von der damals verwendeten PD, mit den 3,5pF der SFH213 bei 5V Vorspannung sind die Daten kaum merklich schlechter. Tim . schrieb: > Ist die PP-Endstufe wirklich nötig? Naja, der Knoten an dem die Basisanschlüsse der Endstufe hängen ist hochohmig, dort entsteht erst die Verstärkung. Wenn man den niederohmig oder kapazitiv belastet ist´s vorbei mit den schönen Daten.
> Tim . schrieb: >> Ist die PP-Endstufe wirklich nötig? > > Naja, der Knoten an dem die Basisanschlüsse der Endstufe hängen ist > hochohmig, dort entsteht erst die Verstärkung. Wenn man den niederohmig > oder kapazitiv belastet ist´s vorbei mit den schönen Daten. Vielleicht reicht ja auch ein Emitterfollower?
Tim . schrieb: > Vielleicht reicht ja auch ein Emitterfollower? Damit wird der Ausgang unsymmetrisch, eine Richtung niederohmig und schnell, die andere hochohmig.
Tim . schrieb: > Ich komme mit dem PMBT2369 auf 70MHz 3db, allerdings mit etwas gain > peaking geschummelt. Mit MMBTH10 erreicht der TIA 90MHz. Ich habe deine Schaltung im Simulator mal 1:1 nachgebaut (alles MMBT2369a), hier kommt die nur auf 20MHZ mit ein klein wenig Überhöhung bei 400fF. Mit MMBTH10 sind es sogar nur noch 15MHz. Irgendwas stimmt mit den Modellparametern nicht. Du möchtest wohl am liebsten nur npn verwenden? Ich mag solche Schaltungen nicht, weil man da immer irgendwo gezwungen ist, das Signal am Kollektor gegen Masse abzunehmen. Dort bekommt man die Versorgung direkt mit ins Signal eingekoppelt. Das macht nur Ärger. Mit Komplementärschaltungstechnik kann man das umgehen und auch die Arbeitspunkte lassen sich besser wählen.
Elliot schrieb: > Tim . schrieb: >> Vielleicht reicht ja auch ein Emitterfollower? > > Damit wird der Ausgang unsymmetrisch, eine Richtung niederohmig und > schnell, die andere hochohmig. Stimmt, die slew rate mit dem emitter follower ist schon arg am limit, selbst mit der kleinen angenommenen load von 10pF...
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Elliot schrieb: > Tim . schrieb: >> Ich komme mit dem PMBT2369 auf 70MHz 3db, allerdings mit etwas gain >> peaking geschummelt. Mit MMBTH10 erreicht der TIA 90MHz. > > Ich habe deine Schaltung im Simulator mal 1:1 nachgebaut (alles > MMBT2369a), hier kommt die nur auf 20MHZ mit ein klein wenig Überhöhung > bei 400fF. Mit MMBTH10 sind es sogar nur noch 15MHz. Irgendwas stimmt > mit den Modellparametern nicht. Komisch. Welches Spice nutzt du? Ich nutzte LTspice, habe das Design angehängt. Für den PMBT2369 nutze ich das Modell von Nexperia. Der MMBT2369 ist übrigens reel etwas langsamer als der PMBT2369, das Spice-Modell habe ich mir noch nicht angeschaut. Ich habe das gain-peaking wieder eliminiert (R6=470 Ohm), da es zu ringing geführt hat. Ich erreiche immer noch 35MHz BW mit PMBT2369. Habe mein Design einmal angehängt. 200fF habe ich als parasitäre Kapazität für einen Widerstand als Richtwert genommen. > Du möchtest wohl am liebsten nur npn verwenden? Ich mag solche > Schaltungen nicht, weil man da immer irgendwo gezwungen ist, das Signal > am Kollektor gegen Masse abzunehmen. Dort bekommt man die Versorgung > direkt mit ins Signal eingekoppelt. Das macht nur Ärger. Mit > Komplementärschaltungstechnik kann man das umgehen und auch die > Arbeitspunkte lassen sich besser wählen. Ja, stimme Dir in allen Punkten zu. (auch im ersten :) Das aber eher, weil ich keine SMD PNPs da habe). Die PSNR ist allerdings durch den shunt feedback nicht so schlecht. Der erste TIA oben kommt ohne Filter auf ca 30dB, der zweite TIA auf ca. 10 dB.
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Tim . schrieb: > Komisch. Welches Spice nutzt du? Ich nutzte LTspice, habe das Design > angehängt. Für den PMBT2369 nutze ich das Modell von Nexperia. Der > MMBT2369 ist übrigens reel etwas langsamer als der PMBT2369, das > Spice-Modell habe ich mir noch nicht angeschaut. Was den Unterschied erklären könnte: Ich vermute, dass das Nexperia-Spice modell die package parasitics nicht mit modelliert.
Hab mir auch das Model für den PMBT2369 von Nexperia runtergeladen und eingebaut. Nun kommt deine Schaltung hier auf ~60MHz ohne Überhöhung bei 250fF. Ich benutze TINA-TI. Das Modell ist übrigens eine böse Falle. Dort sind alle Anschlüsse falsch und unnötig kompliziert aufgebaut ist es auch.
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Der zweite TIA funktioniert prächtig, anbei eine Oszilloskopaufnahme. Die Pulsform der PWM-LED sieht genau sie aus, wie mit dem ersten TIA. Also ist die Bandbreite zumindest nicht geringer. Durch den 10x höheren Transimpedanzgain in der erstenh Stufe sind aber dafür die Störungen deutlich weniger geworden.
Elliot schrieb: > Hab mir auch das Model für den PMBT2369 von Nexperia runtergeladen und > eingebaut. Nun kommt deine Schaltung hier auf ~60MHz ohne Überhöhung bei > 250fF. Ich benutze TINA-TI. > > Das Modell ist übrigens eine böse Falle. Dort sind alle Anschlüsse > falsch und unnötig kompliziert aufgebaut ist es auch. Ich habe mit den Nexperia-Modellen generell recht gut Erfahrungen gemacht. Sie geben die Bauteile sehr genau wieder. Die ganzen inkompatibeln Formate sind allerdings nervig...
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Hallo Elliot, ich habe Deinen TIA mit gefalteter Kaskode einmal in LTSpice nachgebaut. Da ich gerade keine geeigneten LED-Modelle zur Hand habe, habe ich das Biasing über Widerstände und normale Dioden gemacht. Die BF199 habe ich durch MMBTH10 ersetzt, da es vom BF199 keine SMD-Version gibt. Der MMBTH10 ist allerdings etwas langsamer.. (ft 800MHZ vs 1100). Ich komme aktuell auf ~35 MHz Bandbreite. Man sieht am roll off in Vergleich zu Deinen Ergebnissen, dass irgendwo noch ein Pol begrenzt. Evtl. sind es die Transistoren. Ich bin mir allerdings nicht sicher, ob das Biasing der push-pull stufe so korrekt ist? Das PSNR hat sich übrigens gegenüber meinem TIA oben nicht verbessert. Supplystörungen werden wohl hauptsächlich durch R4/Q3 eindringen. Das ist in beiden Topologien gleich!?
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Tim . schrieb: > Das PSNR hat sich übrigens gegenüber meinem TIA oben nicht verbessert. Im Anhang die simulierte PSRR meiner Schaltung (grün) mit den grünen LED in den Stromquellen. 20mV Ausgangsverschiebung bei 4V Versorgungsänderung sind 46dB Unterdrückung auf den Ausgang bezogen. Deine Schaltung (rot) liefert bei mir dagegen 710mV Ausgangsverschiebung bei nur 2V Versorgungsänderung. Eine Unterdrückung von nur 9dB. Tim . schrieb: > Ich komme aktuell auf ~35 MHz Bandbreite. Schon oben war zu sehen, daß die Modelle starke Abweichungen haben und so ganz andere Ergebnisse zustande kommen können. Sogar die gleichen Transistoren verschiedener Hersteller können ganz andere HF-Eigenschaften haben. So jedenfalls meine Erfahrung. Auf die Simulation kann man sich nicht 100% verlassen. Jedenfalls hab ich damals den TIA auf die 200MHz bekommen (allerdings mit anderen Transistoren) und das auch mit einer schnellen Laserlichtquelle nachgewiesen.
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Tim . schrieb: > Ich komme aktuell auf ~35 MHz Bandbreite. Noch ein Vergleich der von mit oben gezeigten Schaltung mit verschiedenen Eingangstransistoren. Es wurde nichts weiter als nur der Eingangstransistor getauscht. Wenn man den Frequenzgang mit der Feedback-Kapazität glatt macht, ergibt das einen Unterschied in der Bandbreite von 2:1.
Tim . schrieb: > Ich komme aktuell auf ~35 MHz Bandbreite. Man sieht am roll off in > Vergleich zu Deinen Ergebnissen, dass irgendwo noch ein Pol begrenzt. > Evtl. sind es die Transistoren. Ich hab i.M. keine Lust, meine von dir verkorste Schaltung bei mir jetzt nachzubauen. Aber was glaubst du wohl wieso ich die LEDs noch mit Kondensatoren überbrückt habe? Sogar deren kleiner differentieller Widerstand macht sich im Frequenzgang bemerkbar. Und du baust einfach Widerstände ein und blockst die nicht ab. So können die Quellen im HF-Bereich gar nicht richtig arbeiten. Dazu stimmen die Ströme nicht. Die LEDs haben etwa 2,6V Flußspannung, nicht 1,6V, das ergibt nur halben Strom.
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Elliot schrieb: > Ich hab i.M. keine Lust, meine von dir verkorste Schaltung bei mir jetzt > nachzubauen. Aber was glaubst du wohl wieso ich die LEDs noch mit > Kondensatoren überbrückt habe? Sogar deren kleiner differentieller > Widerstand macht sich im Frequenzgang bemerkbar. Und du baust einfach > Widerstände ein und blockst die nicht ab. So können die Quellen im > HF-Bereich gar nicht richtig arbeiten. Dazu stimmen die Ströme nicht. > Die LEDs haben etwa 2,6V Flußspannung, nicht 1,6V, das ergibt nur halben > Strom. Ok, das wars! Habe die Kondensatoren eingebaut und den Bias angepasst - jetzt kommt die Simulation auch auf 60 MHz, selbst mit MMBTH10. Ich hatte zu Anfang den Effekt der Kondensatoren untersucht und kaum Veränderungen gesehen, allerdings war zu dem Zeitpunkt wohl das Biasing noch nicht gut eingestellt. Vielen Dank für Deine Unterstützung und Geduld! :) P.s.: PSRR ist immer noch schlechter als in Deiner Simulation. Bei 0 Hz wird das aber eindeutig auf die LEDs zurück zu führen sein. Ist aber erst einmal i.O., da ich sowieso bis 10kHz entkoppele. Die Bauteile sind bestellt. Wird aber noch ein paar Wochen dauern, bis ich es testen kann. Werde mir wohl auch eine Laserdiode fürs testen organisieren müssen.
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Sorry, hatte die falsche AC-Analyse angehängt. Hier ist die richtige.
Tim . schrieb: > PSRR ist immer noch schlechter als in Deiner Simulation. Bei 0 Hz > wird das aber eindeutig auf die LEDs zurück zu führen sein. Nein, es ist auf deine Widerstände zurückzuführen. Mit den LEDs wäre es in Ordnung. Verdreh bitte nicht die Dinge. Und wenn du über meine Schaltung redest und die beurteilen willst, dann bau die bitte exakt nach und nicht mit irgendwelchen Manipulationen. Denn sonst ist das nicht mehr mein Original und deine Aussagen dazu sind wie in manchen Posts oben irreführend. > PSRR ist immer noch schlechter als in Deiner Simulation. Bei 0 Hz > wird das aber eindeutig auf die LEDs zurück zu führen sein. Ist aber > erst einmal i.O., da ich sowieso bis 10kHz entkoppele. Im Übrigen verstehe ich diese Aussage nicht. Die PSRR bei 0Hz ist eine ganz normale Angabe, wie z.B. in jedem OPV-Datenblatt. Ab einer bestimmten Frequenz beginnt die abzusinken, etwa ab dem ersten internen Pol. Hier bei meiner Schaltung ist die bei 10kHz noch genauso hoch wie bei 0Hz.
Elliot schrieb: > Nein, es ist auf deine Widerstände zurückzuführen. Mit den LEDs wäre es > in Ordnung. Verdreh bitte nicht die Dinge. Und wenn du über meine > Schaltung redest und die beurteilen willst, dann bau die bitte exakt Genau das meinte ich auch. Die LED stabilisieren das Biasing in Deiner Schaltung. Daher ist das PSRR in Deiner Schaltung vor allem bei niedrigen Frequenzen besser als in meiner Abwandlung mit Widerständen. War nicht gut von mir formuliert.
https://www.electronicdesign.com/technologies/analog/article/21801223/whats-all-this-transimpedance-amplifier-stuff-anyhow-part-1 Einen zweiten Teil finde ich nirgends, hier wird Teil 1 als Literatur genannt: https://electrooptical.net/static/oldsite/www/frontends/frontends.pdf Das empfohlene Buch hatte ich mal ausgeliehen https://www.amazon.com/exec/obidos/ASIN/007024247X/o/qid=968200121/sr=8-1/ref=aps_sr_b_1_3/002-6674439-7948805 da gibt es auch einen "Blick ins Buch" aber alle drei verwenden Operationsverstärker, teilweise mit Transistoren davor.
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