Fotodiode/LED an Transimpedanzverstärker (TIA) braucht Umgebungslicht, um das Signal zu verstärken

[Hatschi Puh (Gast)]

Eine rote LED als Sensor mit Transimpedanzverstärker gibt bei 
Umgebungsbeleuchtung ein brauchbares Ausgangsignal (gelb), ohne ist das 
(in beiden Aufnahmen vorhandene) Signal (magenta) nicht mehr zu sehen.

Was ist der Grund und was kann ich dagegen machen (Licht anlassen ist 
kein Option ;-)) ?
Der Diode einen kleinen Strom aufprägen, bzw. 20 mV am 
nichtinvertierenden Eingang anlegen?

[Achim S. (Gast)]

Hatschi Puh schrieb:
> Was ist der Grund

Ich könnte mir zwei Ursachen vorstellen.

1) Vielleicht hat deine LED eine entsprechend hohe Defektdichte. Die 
Gitterdefekte können dazu führen, dass ein gewisser Anteil der 
angeregten Ladungsträger wieder rekombiniert statt an den äußeren 
Anschlüssen abgeliefert zu werden. Eine echte Fotodiode anstelle einer 
als Detektor genutzten LED könnte hier wesentlich helfen.

2) Dein OPV kann am Eingang zwar bis hinunter zu 0V arbeiten. Aber am 
Ausgang kommt er eben nicht bis auf 0V runter. Wenn das Ausgangssignal 
des ersten OPV unter die Schwelle rutscht, wo der OPV noch arbeitet, 
kann er kleine Änderungen des Signals nicht mehr korrekt wiedergeben.

Falls es weiter um die modulierten Lichtsignale aus deinem früheren 
Beitrag geht: leg das Bezugspotential deiner Verstärkerstufen auf die 
halbe Betriebsspannung (für die Detektordiode ist das dann eine 
Sperrspannung). Damit hat dein erste OPV genügend Abstand zur unteren 
Rail. Zur zweiten Stufe hin brauchst du dann eine AC-Kopplung und auch 
wieder ein angehobenes Bezugspotential. Das hilft bezüglich Punkt 2).

Und bezüglich Punkt 1): nutze anstelle der LED eine vernünftige 
Fotodiode, die als Detektor gedacht, optimiert und spezifiziert ist.

[Hatschi Puh (Gast)]

Danke Achim! Ja, es geht um die gleiche Geschichte.

1) habe ich jetzt mal gemacht: schon geht alles in Sättigung. 
Entsprechend muss ich die Verstärker umbauen. Aber dafür ist ohne 
nennenswertes Umgebungslicht natürlich die Empfindlichkeit entsprechend 
größer.

2) Das dürfte der "Output Voltage Swing" sein, und ist mit typisch 100 
mV angegeben. Ich dachte, es wäre ein Rail-to-Rail Typ. Falsch gedacht! 
Aber selbst ein R2R (TS912) schafft "nur" 30 mV und löst das Problem 
nicht.
Ich werde bei Gelegenheit versuchen, das Verhalten nachzuvollziehen 
(messen) und dann probiere ich deine Vorschläge aus.

[Pandur S. (jetztnicht)]

Die Speisung ist nur unipolar, das ist etwas wenig.

[Uwe B. (Firma: TU Darmstadt) (uwebonnes)]

Den Verstaerkern fehlt die Beinfreiheit

[Lurchi (Gast)]

Wenn man die Schaltung sowieso ändert, sollte man der Detektor-diode 
auch gleich etwas Vorspannung gönnen. Schon 1 V oder so kann die 
Kapazität deutlich reduzieren und damit einen größeren  Widerstand / 
kleineren Kondensator erlauben.

[Georg (Gast)]

Hatschi Puh schrieb:
> Ich dachte, es wäre ein Rail-to-Rail Typ

Selbst wenn, die gezeichnete Schaltung wird nur mit einer negativen 
Versorgungsspannung funktionieren.

Georg

[MaWin (Gast)]

Hatschi Puh schrieb:
> Was ist der Grund

Ich kann zwar an deinen Oszilloskopbildern nichts erkennen, aber: 
Eventuell Eongangsoffsetspannung des OpAmps.

[Hatschi Puh (Gast)]

Pandur S. schrieb:
> nur unipolar

Uwe B. schrieb:
> fehlt die Beinfreiheit

Damit ist doch auch gemeint, was Armin schon sagte: dass das Signal 
nicht "durchkommt", weil der OPV-Ausgang nahe Null (V-, GND) nicht mehr 
richtig funktioniert?

Achim S. schrieb:
> leg das Bezugspotential deiner Verstärkerstufen auf die
> halbe Betriebsspannung (für die Detektordiode ist das dann eine
> Sperrspannung)

Das wäre dann ein halbes "Ja" zu meinem ersten Gedanken?

Hatschi Puh schrieb:
> Der Diode einen kleinen Strom aufprägen, bzw. 20 mV am
> nichtinvertierenden Eingang anlegen?


Ich bin vorerst wieder zurückgerudert und habe die LED als Sensor wieder 
eingebaut - und den nichtinvertierenden Eingang per Spannungsteiler auf 
einige mV angehoben. Das Signal ist nun mit und ohne Fremdlicht für 
meine Zwecke ausreichend vorhanden (Sender mit wenigen mA in 50 cm 
Abstand). Optimieren werde ich bei Bedarf.

Laut diesem Video https://youtu.be/FtdJ4e973bk?t=368 
("Photodiode/Transimpedance Amplifier Design") ist eine geringere 
Sperrspannung (Bias) besser für die Empfindlichkeit (trifft 
möglicherweise auf LED nicht zu). Für mich war es einfach nur der 
geringere Aufwand, und die Möglichkeit, DC erfassen zu können, hätte ich 
auch gerne.

Vielen Dank nochmal für die Hinweise!

[Mike (Gast)]

Hallo

Die Ausgangsspannung bei einem Transimpedanzverstärker ist U=-R*I.
D.h. du bekommst eine negative Ausgangsspannung.
Du kannst aber nur eine negative Ausgangsspannung erhalten wenn
der OP am Pin4 eine negative Versorgungsspannung bekommt.
Der OP muss demnach mit einer Dual-Power-Supply versorgt werden.

Kann auch falsch liegen aber vielleicht hilft das was.
LG
Mike

[Achim S. (Gast)]

Hatschi Puh schrieb:
> Damit ist doch auch gemeint, was Armin schon sagte: dass das Signal
> nicht "durchkommt", weil der OPV-Ausgang nahe Null (V-, GND) nicht mehr
> richtig funktioniert?

"Achim" statt "Armin" ;-) Aber ansonsten ein ja: die Beiträge meinen 
inhaltlich wohl dasselbe.

Hatschi Puh schrieb:
> Laut diesem Video https://youtu.be/FtdJ4e973bk?t=368
> ("Photodiode/Transimpedance Amplifier Design") ist eine geringere
> Sperrspannung (Bias) besser für die Empfindlichkeit

Hier musste ich erst ein wenig grübeln. Ich glaube der Punkt ist, dass 
im Video mit sensitivity etwas anderes gemeint ist als ich damit 
bezeichnen würde.

Für mich ist sensitivity (Empfindlichkeit) die Ableitung des Photostroms 
nach der Bestrahlungsstärke (gemessen in µA/lx oder µA/(W/m^2)). Mir ist 
kein Effekt bekannt, dass dieses Verhältnis bei steigender Sperrspannung 
abnehmen würde. (Mag sein, dass es trotzdem einen gibt, dann wäre es 
interessant ihn kennenzulernen.)

Was im Video aber wahrscheinlich mit sensitivity gemeint ist ist die 
Frage, welche kleinste Bestrahlungsstärke noch nachweisbar ist. Mit 
steigender Sperrspannung steigt tatsächlich der Dunkelstrom an. D.h. man 
hat dann im Dunkeln ein größeres "Untergrundsignal", und im Verhältnis 
dazu wird der Fotostrom geringer. Diesen Effekt gibt es eindeutig, und 
bei der Absolutmessung kleinster Bestrahlungsstärken ist er wichtig.

Bei deiner Anwendung, wo es darum geht, die Modulation des Licthsignals 
nachzuweisen, wäre der Absolutwert des Dunkelstroms aber imho von 
geringer Bedeutung.

Mike schrieb:
> D.h. du bekommst eine negative Ausgangsspannung.

Nein: bei dieser Polung der Fotodiode (oder der ersatzweise genutzen 
LED) ist die Ausgangsspannung des TIA positiv.

[Achim S. (Gast)]

noch ein Nachtrag:

Hatschi Puh schrieb:
> Achim S. schrieb:
>> leg das Bezugspotential deiner Verstärkerstufen auf die
>> halbe Betriebsspannung (für die Detektordiode ist das dann eine
>> Sperrspannung)
>
> Das wäre dann ein halbes "Ja" zu meinem ersten Gedanken?

ja. Aber dabei ist nicht die eigentliche Absicht, dass durch die Diode 
schon ein kleiner Strom fließt (so hast du die Idee im Eröffnungsbeitrag 
eingeführt). Sondern dass das Ruhepotential des Verstärkers von der 
negativen Rail weggebracht wird.

[Hatschi Puh (Gast)]

Achim S. schrieb:
> Sondern dass das Ruhepotential des Verstärkers von der
> negativen Rail weggebracht wird.

Mein Ausgangsgedanke war, das erforderliche Fremdlicht elektronisch zu 
erzeugen. Ein so plumper Lösungsansatz wie Tippex auf dem Monitor.
Lag aber gar nicht so verkehrt ;-)

Dunkelstrom habe ich bisher immer überlesen; ich schau es mir mal an.
Aber ich stimme zu, es dürfte für meinen Zweck unerheblich sein.

Vielen Dank, Achim, dass du dir die Zeit nimmst!