Photodiode + Transimpedanzwandler

[Walt N. (belayason)]

Hallo Leute,
nach langer recherche und verschiedenen Testschaltungen bin ich 
irgendwie  nicht schlauer geworden. Die Aufgabe besteht darin ein 
Infrarot Trigger Signal zu empfangen und anschließend an meinen µC 
weiterzuleiten. Daher ist der gebrauch einer Photodiode, verstärkt mit 
einem Transimpedanzwandler der offensichtlichste Lösungsansatz.

Daher habe ich mal eine Schaltung (Bild 1) zusammen gesteckt und 
versucht das Triggersignal zu empfangen. Das Ziel ist das Signal auf 
mindestens 5 m zu empfangen. Bei 30cm (Bild 2) sieht man dass die 
Verstärkung in Sättigung geht und die zwei Flanken nicht dargestellt 
werden können. Bei 50cm (Bild 3) sind die zwei Triggerimpulse gut zu 
erkennen. Schon bei ca 1 m ist kein Signal mehr zu erkennen.
Nach dem Transimpedanzwandler habe ich einen 500kHz Bandpass 
angeschlossen der mir alle Störsignale raus Filtern soll. Die Messungen 
wurden an V1 vorgenommen.

Ich habe von Texas Instrument Operationsverstärker gefunden die für 
einen Transimpedanzwandler vorgesehen sind, z.b. OPA320. Hierfür gibt es 
auch reference Designs für eine Photodiode. Bisher verwende ich einen 
MCP6292.

Lohnt es sich die Schaltung mal mit diesem Verstärker aufzubauen?

Die Frage ist nun wie ich die effektive Reichweite auf 5 m erhöhe und 
dieses Signal in eine Spannung Wandle die ich mit einem Digital Input 
Pin mit meinem STM32F411RE einlesen kann.

Wenn ich auf 5 m noch eine Verstärkung bis 0,7V habe könnte ich ja einen 
Transistor steuern der mir dann die 3,3V auf meinen Input schaltet. 
Dafür dürfte die Schaltung aber bei 50 cm nicht übersteuern...
Hat jemand damit schon Erfahrungen gesammelt und ist der Lösungsansatz 
mit einem Transistor der sinnvollste oder gibt es andere Möglichkeiten?

Gruß

[Sven B. (scummos)]

Der erste Optimierungsparameter ist sicherlich der Transimpedanz-Gain 
von mometan 10 kOhm. Kannst du da nicht einfach 100 kOhm einsetzen? Dann 
natürlich auch C2 kleiner machen.

[Achim S. (Gast)]

Walt N. schrieb:
> Bei 50cm (Bild 3) sind die zwei Triggerimpulse gut zu erkennen. Schon
> bei ca 1 m ist kein Signal mehr zu erkennen. Nach dem
> Transimpedanzwandler habe ich einen 500kHz Bandpass angeschlossen der
> mir alle Störsignale raus Filtern soll. Die Messungen wurden an V1
> vorgenommen.

bei 50cm schlägt der TIA noch an 5V an und bei 1m siehst du nichts mehr? 
das wäre seltsam. Stelle deinen Kanal 1 mal empfindlicher ein und setze 
die Triggerschwelle auf deutlich weniger als die aktuellen 3,88V

[Günni (Gast)]

Sven B. schrieb:
> Der erste Optimierungsparameter ist sicherlich der Transimpedanz-Gain
> von mometan 10 kOhm. Kannst du da nicht einfach 100 kOhm einsetzen? Dann
> natürlich auch C2 kleiner machen.

Damit kann man die Empfindlichkeit erhöhen. Gegen das Übersteuern könnte 
man (als brachiale Maßnahme) zum Widerstand eine 2,7V-Zenerdiode 
parallel schalten, die die Verstärkung reduziert, wenn das 
Ausgangssignal zu hoch wird. (Besser - und sauberer - wäre natürlich, 
dem Verstärker ein logarithmisches Verhalten zu geben, aber dazu muss 
mehr gerechnet werden.)

[Elliot (Gast)]

Achim S. schrieb:
> bei 50cm schlägt der TIA noch an 5V an und bei 1m siehst du nichts mehr?
> das wäre seltsam. Stelle deinen Kanal 1 mal empfindlicher ein und setze
> die Triggerschwelle auf deutlich weniger als die aktuellen 3,88V

Ich denke die grüne Kurve ist der OPV-Ausgang (mit 3,3V-Versorgung) und 
gelb das Sendesignal. Für die gelbe Kurve ist der OPV zu langsam 
(7V/µs). Dann geht das mit dem Trigger, wobei ich den auch nicht in das 
Ringging stellen würde. Das Bandpassfilter ist auch suboptimal 
dimensioniert.

Insgesamt ziemlich schlampiger Auftritt des TO hier, die 
Teilereinstellungen am Oszi stimmen nicht (10:1), keine vollständige 
Schaltung mit Versorgung des OPV, keine Angaben zum gelben SIgnal.

[Günni (Gast)]

Elliot schrieb:
> Insgesamt ziemlich schlampiger Auftritt des TO hier, die
> Teilereinstellungen am Oszi stimmen nicht (10:1), keine vollständige
> Schaltung mit Versorgung des OPV, keine Angaben zum gelben SIgnal.

Stimmt zwar, aber die Bilder waren ja auch etwas für Leute, die genug 
Sachkenntnis haben, um hilfreiche Tips zu geben. Selbst ich habe das 
jedenfalls ohne allzu große Mühe herausgefunden. Und da bei gelben 
Signal der pp-Wert angegeben war, konnte ich erraten, dass die 
Einstellung wohl 5V/div war. Aus dem "Klingeln" des gelben Signals 
vermute ich, dass auch die Wahl der Masse nicht ganz optimal war. Aber 
hier geht es um Ideenfindung zur Problemlösung und nicht um eine 
wissenschaftliche Arbeit.

[F. M. (foxmulder)]

https://www.youtube.com/watch?v=FtdJ4e973bk

[Alexander S. (alesi)]

Walt N. schrieb:
> Schon bei ca 1 m ist kein Signal mehr zu erkennen.

Hallo,
ist der Sendestrahl evtl. stark gebündelt und trifft den Empfänger nicht 
richtig? Ich will damit sagen: es kann (nur) an der Elektronik liegen, 
aber evtl. auch an der Optik.

[Gerald K. (geku)]

Ich würde mir in https://de.wikipedia.org/wiki/Photodiode das Kapitel 
Betriebsarten genauer ansehen.

Deine OPV-Schaltung versucht, durch Gegenkopplung, die Kathode der 
Fotodiode auf Masse zu halten. Es entsteht ein Quasi-Kurzschluss und 
daher befindet sich die Fotodiode in Betriebsart 2.

Die Anforderung an die Geschwindigkeit ist im Vergleich zu 
IR-Fernbedienungen um einen Faktor 10 höher. Die Betriebsart 1 hat die 
geringste Bandbreite, Betriebsart 3 die größte 
Verarbeitungsgeschwindigkeit. Daher würde ich versuchen die Schaltung in 
Betriebsart 3 zu betreiben.

Wird auch in https://de.wikipedia.org/wiki/Transimpedanzverst%C3%A4rker

Dort steht geschrieben: "So werden deutlich höhere Grenzfrequenzen 
erreicht, wenn die Diode in Sperrrichtung vorgespannt wird, da so die 
Sperrschichtkapazität sinkt". Das entspricht Betriebsart 3.

Die Kapazität C2 am Transimpedanzverstärker dämpft zusätzlich die 
höheren Frequenzen von der als Stromquelle betriebenen Fotodiode.

Die Änderung des Verhaltens in Abhängigkeit von der Entfernung kann 
durch die Verschiebung des Arbeitspunktes an der Kennlinie der Fotodiode 
zustande kommen. Steile Kennlinie => niederohmiger differenzieller 
Widerstand , flacher Bereich => hochohmiger differenzieller Widerstand 
(Konstantstromquelle).

Auch Fremdlicht kann die Reichweite negativ beeinflussen. Daher wird bei 
IR-Fernbedienungen das Signal moduliert.

[Sven B. (scummos)]

Gerald K. schrieb:
> Dort steht geschrieben: "So werden deutlich höhere Grenzfrequenzen
> erreicht, wenn die Diode in Sperrrichtung vorgespannt wird, da so die
> Sperrschichtkapazität sinkt empfohlen".

Meiner Erfahrung nach steht das zwar sehr prominent in jedem Lehrbuch 
und stimmt auch, ist aber selten ausschlaggebend für Funktion oder 
Nichtfunktion irgendwelcher Gadgets, die man sich so baut. Die dadurch 
entstehende Erhöhung der Bandbreite ist tendentiell sowas wie Faktor 
2-5; und der TO liegt mit seinem 1 MHz noch nicht so an der Grenze des 
Machbaren, dass man das unbedingt beachten müsste.

Hier würde ich lieber mal die Kompensationskapazität des 
Transimpedanzverstärkers im Zusammenspiel mit dem Feedback-Widerstand 
simulieren. Da ist bestimmt um Größenordnungen mehr zu holen.

[Achim S. (Gast)]

Günni schrieb:
> Selbst ich habe das
> jedenfalls ohne allzu große Mühe herausgefunden.

Dann gratuliere ich zu deinem extrascharfen Auge.

Nichtsdestotrotz bleibe ich dabei: es passt nicht zusammen, dass bei 
50cm der Verstäker noch an der Versorgung anschlägt (das macht ja auch 
die grüne Kurve) und dass dann bei 1m gar nichts mehr zu sehen sein 
soll. Außer falls mit "kein Signal mehr zu erkennen" gemeint sein 
sollte, dass das Signal nicht mehr ausreicht, um die Schaltschwelle 
eines Digitaleingangs zu übersteigen. (Wenn das gemeint gewesen sein 
sollte, dann wäre es gut, auch das zu schreiben).

Falls stattdessen wirklich gemeint ist, dass auf dem Oszi kein Signal 
mehr zu erkennen ist, dann eben mein korrigierter Vorschlag: bitte mal 
bei Kanal 2 die Empfindlichkeit verstellen. Wenn wirklich nichts zu 
sehen ist, dann ist was anderes schief gelaufen.

Alexander S. schrieb:
> ist der Sendestrahl evtl. stark gebündelt und trifft den Empfänger nicht
> richtig?

das wäre z.B. eine Möglichkeit: bei 50cm wurde der Empfänger 
"getroffen", bei 1m zielt er daneben. Oder dass sich beim "verschieben" 
der Schaltung von 50cm auf 1m Distanz ein Draht im Steckbrett gelöst 
haben könnte, wäre eine andere Möglichkeit.

Aber wenn das Signal zwischen 50cm und 1m um mehr als einen Faktor 4 
abnimmt, dann ist was jenseits der Elektronik faul. Und ein Viertel des 
Signals aus den bisherigen Messungen wäre auf dem Oszi noch locker zu 
erkennen.

[Jens G. (jensig)]

>werden können. Bei 50cm (Bild 3) sind die zwei Triggerimpulse gut zu
>erkennen. Schon bei ca 1 m ist kein Signal mehr zu erkennen.

Dann hast Du ein anderes Problem. Z.B., daß IRED und Photodiode nicht in 
einer Linie gegenüberstanden.
Denn wenn man den Abstand verdoppelt, dann fällt das Signal auf ein 
Viertel (quadratischer Zusammenhang). Bei einem Meter solltest Du also 
immer noch Upp=6,6V/4=1,65V sehen.
Und bei 5m immer noch 1/100. Also 66mV.
Irgendwas ist also in Deiner Anordnung falsch ...

>Ich habe von Texas Instrument Operationsverstärker gefunden die für
>einen Transimpedanzwandler vorgesehen sind, z.b. OPA320. Hierfür gibt es
>auch reference Designs für eine Photodiode. Bisher verwende ich einen
>MCP6292.

Nützt nur nix, da Du ein anderes Problemn hast, wie schon dargestellt.

>Wenn ich auf 5 m noch eine Verstärkung bis 0,7V habe könnte ich ja einen

Dann haste bei 0,5m 70V Amplitude - also wieder voll in der 
Übersteuerung.

>Transistor steuern der mir dann die 3,3V auf meinen Input schaltet.

Wenn schon, dann einen Komparator, mit einer Arbeitspunkteinstellung, 
die sich an den DC-Pegel des Signals anpaßt, so daß er auch bei geringen 
Pegeln noch die Flanken mitmacht. Dann biste nicht auf die 0,7V des T 
angewiesen.
Oder gleich einen Begrenzerverstärker wie der FM-ZF-Verstärkertrakt in 
UKW-Radios - die übersteuern zwar auch, sind aber dafür gemacht, und 
machen trotzdem die HL-Flanken sauber genug mit.
Oder Du könntest bei deiner Schaltung parallel zum R1 je eine Diode in 
beide Richtungen schalten (oder auch zwei seriell pro Richtung), dann 
begrenzen die Dioden die Ausgangsamplitude, ohne daß der OPV in die 
Sättigung gerät. Dafür kannste dessen Verstärkung rel. hoch wählen, so 
daß er trotz größerer Entfernung noch genug Amplidute hat. Evtl. 
braucjhste dann aber einen OPV mit höherer GBW, damit die Signalflanken 
nicht zu sehr verschleifen.

>Dafür dürfte die Schaltung aber bei 50 cm nicht übersteuern...

Tja ...

[Gerald K. (geku)]

Günni schrieb:
>> Schaltung mit Versorgung des OPV, keine Angaben zum gelben SIgnal

Die Versorgungsspannung wäre wichtig gewesen. Das gelbe Signal dürfte 
das Signal des Senders sein, da es dem grünen Signal voran eilt.

Da Frage ist, welchen Einfluss hat Fremdlicht auf die Funktion  der 
Schaltung? In der Ferne kann das Fremdlicht überwiegen.

[Jens G. (jensig)]

Gerald K. (geku)

>Die Änderung des Verhaltens in Abhängigkeit von der Entfernung kann
>durch die Verschiebung des Arbeitspunktes an der Kennlinie der Fotodiode
>zustande kommen. Steile Kennlinie => niederohmiger differenzieller
>Widerstand , flacher Bereich => hochohmiger differenzieller Widerstand
>(Konstantstromquelle).

Wie das? Wir arbeiten doch in Betriebsart 2 (gilt auch für 3).

[Gerald K. (geku)]

Gerald K. schrieb:
> "So werden deutlich höhere Grenzfrequenzen
> erreicht, wenn die Diode in Sperrrichtung vorgespannt wird, da so die
> Sperrschichtkapazität sinkt". Das entspricht Betriebsart 3.

Wie man eine negative Vorspannung erreicht sieht man im Video

A. K. schrieb:
> https://www.youtube.com/watch?v=FtdJ4e973bk

Eine positive Vorspannung am (+)Eingang, zieht auch den (-)Eingang nach 
oben.
Die Kathode der Fotodiode wird gegenüber deren Anode positiv 
vorgespannt.

[Walt N. (belayason)]

Erstmal danke für die schnellen Antworten, außerdem muss ich mich für 
fehlende Information entschuldigen. Wie Ihr schon richtig gedeutet habt 
handelt es sich bei dem gelben Signal um das Triggersignal das gesendet 
wird und bei dem grünen Signal um den Ausgang von meiner 
Verstärkerschaltung die an +3.3V und GND angeschlossen ist.

Ich habe nun den Widerstand R1 auf 6M Ohm erhöht. Diesen habe ich so 
gewählt dass ich bei 5 Metern noch in der Sättigung meiner 
Verstärkerschaltung bin. Daher wäre das Problem mit der Distanz gelöst. 
Mein Gain war einfach zu klein dass einfach nichts mehr verstärkt wurde.

Zusätzlich habe ich noch Messungen ohne und mit 10pF Kondensator 
parallel zu R1 gemacht (siehe Bild).

Jetzt stellt sich mir die Frage wie ich nun die zwei Amplituden 
darstelle. Liegt das nun an der Geschwindigkeit von meinem OP?

[Sven B. (scummos)]

Ein Transimpedanzverstärker darf nie in Sättigung gehen, dann ist das 
ganze Konzept hin. Die Idee ist gerade, dass sich die Eingangskapazität 
(der PD) nie auflädt, weil die Spannung immer auf 0 gehalten wird. 
Sättigt der TIA, ist das nicht mehr der Fall und alles wird elend 
langsam.

Wähle also den Transimpedanz-Gain (aka den Widerstand) so, dass du zwar 
ein ordentliches Signal siehst, aber ein Stück weg bist vom der 
Sättigung der Schaltung. Brauchst du ein größeres Ausgangssignal, 
schalte einen Komparator nach.

[Walt N. (belayason)]

Sven B. schrieb:
> Wähle also den Transimpedanz-Gain (aka den Widerstand) so, dass du zwar
> ein ordentliches Signal siehst

Jetzt habe ich in verschiedenen Schritten den Widerstand verkleinert 
(jetzt 500kOhm) bis ich bei 4 m nicht mehr in der Sättigung bin. 
Trotzdem scheint das system noch zu langsam zu sein, man sieht nur eine 
kleine Andeutung der zwei Amplituden, mehr nicht...

[Peter D. (peda)]

Warum 500kHz, die kommen doch eh nicht mehr durch.
Ein 10MHz OPV hat bei 500kHz nur noch eine Verstärkung von 20.

Es gibt fertige IR-Empfänger mit AGC und Filter, die arbeiten bei 
36..40kHz.
5m sind da kein Problem.

[Walt N. (belayason)]

Peter D. schrieb:
> Warum 500kHz

So triggert das bestehende System. Das ist leider eine Vorgabe....

[Elliot (Gast)]

Walt N. schrieb:
> Jetzt habe ich in verschiedenen Schritten den Widerstand verkleinert
> (jetzt 500kOhm) bis ich bei 4 m nicht mehr in der Sättigung bin.
> Trotzdem scheint das system noch zu langsam zu sein, man sieht nur eine
> kleine Andeutung der zwei Amplituden, mehr nicht...

Der Feedback-Kondensator muss immer passend zum Feedback-Widerstand 
dimensioniert werden. Am besten machst du dein Sendesignal mal 
niederfrequenter, so daß der OPV genug Zeit hat, den größtmöglichen Hub 
zu machen. Dann stellst du mit dem Kondensator auf steilste Flanken ohne 
Überschwingen (oder mit ein paar %) ein.

Bei 500k Transimpedanz und 50pF PD wird dein OPV die gewünschte 
Geschwindigkeit aber nicht schaffen. Du brauchst eine PD mit weniger 
Kapazität (oder hoher Vorspannung) und einen schnelleren OPV.

[Gerald K. (geku)]

Walt N. schrieb:
> Jetzt stellt sich mir die Frage wie ich nun die zwei Amplituden
> darstelle. Liegt das nun an der Geschwindigkeit von meinem OP?

Ich würde die Fotodiode schneller machen indem ich mit einer Vorspannung 
die Diode in Sperrrichtung bringe. Vorschlag aus dem Video 
https://www.youtube.com/watch?v=FtdJ4e973bk.

Siehe auch beiliegendes PDF.

[Walt N. (belayason)]

Gerald K. schrieb:
> Ich würde die Fotodiode schneller machen indem ich mit einer Vorspannung
> die Diode in Sperrrichtung bringe

Werde ich morgen mal ausprobieren! Melde mich

[Sven B. (scummos)]

Woher kommt denn dein Kapazitätswert? Nimm die Kapazität mal ganz weg. 
Schwingt das System dann? Nur in diesem Fall füge eine kleine Kapazität 
(2pF, ...) hinzu, bis es aufhört zu schwingen. Dann schau dir mal die 
Antwort an. Immer noch zu langsam? Dann ist entweder der OpAmp zu lahm 
oder (s.U.) die PD-Kapazität zu hoch.

Die Vorspannung für die PD erlaubt dir, wenn ich mich an die 
Simulationen richtig erinnere, lediglich diesen Kapazitätswert beim 
gleichen Feedback-Widerstand kleiner zu wählen. Dadurch wird das 
System schneller, nicht allein durch die Vorspannung. Und wie gesagt, 
was du da zeigst ist so viel zu langsam, das lässt sich durch eine 
Vorspannung meiner Einschätzung nach nicht richten.

Den Filter würde ich weglassen und erst hinzufügen, wenn das Signal nach 
dem TIA wie erwartet aussieht.

[Gerald K. (geku)]

Sven B. schrieb:
> Dadurch wird das
> System schneller, nicht allein durch die Vorspannung.

Bei allen Halbleiterdioden nimmt die Kapazität mit zunehmender 
Sperrspannung ab.

Speziell gewünscht ist dieser Effekt bei Kapazitätsdioden.

https://de.wikipedia.org/wiki/Kapazit%C3%A4tsdiode

https://deacademic.com/dic.nsf/dewiki/1310275#Sperrschichtkapazit.C3.A4t

[Olaf (Gast)]

> Daher habe ich mal eine Schaltung (Bild 1) zusammen gesteckt und
> versucht das Triggersignal zu empfangen. Das Ziel ist das Signal auf
> mindestens 5 m zu empfangen.

Du willst also im Prinzip einen IR-Empfaenger bauen. Leider merkst du 
jetzt das es nicht einfach ist. Deshalb arbeiten die ueblicherweise mit 
einer Traegerfrequenz die man bewusst verstaerken kann. Auch das ist 
schon nicht einfach. Deshalb waren das vor 20-30Jahren bereits bestens 
abgeschirmte Metalkaesten.
Ich wuerde dir dringend empfehlen dein Projekt so hinzubiegen das du 
einen fertigen Empfaenger mit integrierter Diode+Verstaerker nutzen 
kannst. Es wird sonst eine Weile brauchen bis du auf deren Level 
angekommen bist.

Olaf

[Sven B. (scummos)]

Gerald K. schrieb:
> Bei allen Halbleiterdioden nimmt die Kapazität mit zunehmender
> Sperrspannung ab.
>
> Speziell gewünscht ist dieser Effekt bei Kapazitätsdioden.

Weiß ich. Die Bandbreite des Transimpedanzverstärkers erhöht sich 
dadurch allerdings erstmal nicht.

[Gerald K. (geku)]

Sven B. schrieb:
> Die Bandbreite des Transimpedanzverstärkers erhöht sich
> dadurch allerdings erstmal nicht.

_Der OPV MCP6292 schaut schnell aus_ :

Verstärkungs-Bandbreiteprodukt:  10 MHz
Anstiegsrate:   7 V/us