Betriebsart Fotodiode VBias)

[Simon (hacs)]

Hallo Zusammen

Ich baue gerade meine Schaltung um einen codierten Laser mit einem 1MHz 
Rechtecksignal auszulesen. Ich habe die Schaltung berechnet und in TINA 
aufgezeichnet und simuliert. Nun bin ich darauf gestossen, dass man die 
Kapazität der Fotodiode kleiner machen und somit die Schaltung schneller 
machen kann, indem man die Fotodiode mit einer Spannung vorspannt. Ich 
wollte dies ebenfalls simulieren aber jetzt funktioniert die Simulation 
dafür nicht (Ausprobiert mit +/-3.3V als VBias). Ich wollte wissen, ob 
ich einen Überlegungsfehler gemacht habe oder ob das Tool Probleme mit 
dieser Simulation haben könnte.

Ich verwende eine BPW34 Fotodiode, diese hat laut Datenblatt eine 
Kapazität von 72pF ohne Vbias. Schaltet man einen VBias von 3.3V dazu, 
hat man eine Kapazität von ca. 25pF (laut Tabelle). Mir ist nicht ganz 
klar, wie ich den VBias an die Diode anschliessen muss.

Ich hätte die Kathode an 3.3V angeschlossen, stimmt das oder müsste ich 
-3.3V anschliessen?

Zudem finde ich, dass der Zustand direkt zu Beginn komisch, weiss jemand 
woher das kommen kann?

Vielen Dank für eure Hilfe.

[Hp M. (nachtmix)]

Simon schrieb:
> ch hätte die Kathode an 3.3V angeschlossen, stimmt das oder müsste ich
> -3.3V anschliessen?

Ja.
Wenn man die PD in Sperrichtung betreibt, verringert sich die 
Sperrschichtkapazität und die Ausräumzeit wird kürzer.
Allerdings muss man dafür sorgen, dass der durch die Belichtung höhere 
Sperrstrom auch fliessen kann.

[H. H. (hhinz)]

Simon schrieb:
> Ich hätte die Kathode an 3.3V angeschlossen,

Die gehört allerdings an den invertierenden Eingang des Opamp.

[Hp M. (nachtmix)]

Hp M. schrieb:
> Simon schrieb:
>> ch hätte die Kathode an 3.3V angeschlossen, stimmt das oder müsste ich
>> -3.3V anschliessen?
>
> Ja.
> Wenn man die PD in Sperrichtung betreibt, verringert sich die
> Sperrschichtkapazität und die Ausräumzeit wird kürzer.
> Allerdings muss man dafür sorgen, dass der durch die Belichtung höhere
> Sperrstrom auch fliessen kann.

P.S.:
In der Schaltung hast du die PD ja schon mit 1,6V vorgespannt, 
allerdings in Flussrichtung, wenn ich das richtig sehe.
Das wird nicht funktionieren.
Normalerweise macht der Simulator aber fast jeden Blödsinn mit. Du wirst 
also noch einen anderen Fehler in der Schaltung haben.
Bau mal an Stelle der Konstantstromquelle eine richtige Diode ein.

Und denke dran, dass du es in der Praxis auch mit Fremdlicht zu tun 
hast.

[Jens G. (jensig)]

Simon schrieb:
> Ich hätte die Kathode an 3.3V angeschlossen, stimmt das oder müsste ich
> -3.3V anschliessen?

Anode an -3,3V, Kathode an inv. Eingang, wenn der OPV eine pos. 
Ausgangspannung erzeugen soll.

[Peter R. (pnu)]

Das Bild von 1MHz ist zwar recht schön, ich glaub aber, dass es bei 
einem modulierten Sigal nicht so aussehen wird.
Die Grenzfrequenz der Schaltung muss deutlich höher ssein als die 
gezeigten 1MHZ, schließlich ist die Dauer der H-Phase schon nur 1/2 µS.

schon die 1,5 pF am Opamp machen mich da mißtrauisch. Sind da das 
Eingangs-C des Opamp und die pF der Zuleitungen berücksichtigt?

Der Peak auf dem  Bild scheint mir durch den Rechengang des Simulators 
zu entstehen: Zuerst rechnet der die Spannung an der BPW ohne Opamp aus 
und danach geht er zum Rechnen mit Opamp-Schaltung über, wobei er 
jedesmal den Wert benutzt, der bei der vorherigen Rechnung(mit 
Opamp)entstanden ist.

Außerdem:

Die BPW34 ist eine relativ große Fotodiode, hat ja einige mm² aktive 
Fläche. Das ist für große Lichtflecke recht schön. Bei eng fokussierten 
Lichtpunkten (wie bei Lasereinsatz) wird aber ein großer Teil der Fläche 
zwar Kapazität darstellen, aber für das Signal ungenutzt bleiben.

Da ist es besser, eine Diode mit kleinerer aktiver Fläche zu suchen. 
Deren Kapazität ist kleiner und der optisch aktive Teil der Fläche 
relativ zur Gesamtfläche größer.

BPW34 hätte nur dann Sinn , wenn der Laserstrahl die ganze Fläche der 
BPW34 benutzt weil er entweder diffus geworden ist oder sich bewegt.

oder, einfach gesagt: BPW34 mit modulierten 1MHz? glaub ich nicht so 
recht

[Werner H. (werner45)]

Die Vorspannung muß im Bereich 10 - 15 V liegen, damit die Sperrschicht 
dick genug und die Kapazität klein genug wird. 3,3 V sind zu wenig.
Da fast kein Strom fließt, hält auch ein Stapel von Li-Knopfzellen als 
Spannungsquelle >10 Jahre.

[Hp M. (nachtmix)]

Peter R. schrieb:
> BPW34 mit modulierten 1MHz? glaub ich nicht so
> recht

Geht schon.

Bei 30V kommt die auf 10pF runter, wie du an der Grafik aus dem 
Datenblatt  sehen kannst. Aber selbst mit den 25pF, die man bei einem 
zweckmässigeren Aufbau erreichen könnte und 50Ohm Lastwiderstand ergibt 
sich eine rechnerisch eine Zeitkonstante von 1,25ns, mehr als 
ausreichend für 1MHz.
Für 10V und 1kOhm nennt das Datenblatt Anstiegs- bzw. Abfallzeiten (10%, 
90%)  tr=tf=100ns , was einer 3dB Grenzfrequenz von ca. 3,5MHz 
entspricht.
https://www.vishay.com/docs/81521/bpw34.pdf

[Jens G. (jensig)]

Und dann kommt es ja noch auf den Feedback-R an, wie hoch man mit der 
Bandbreite kommt. Aber 40k, wie im Bild zu sehen, dürften in 
Zusammenhang mit dem OPA838 genug Luft zu lassen.

[Simon (hacs)]

Vielen Dank für eure hilfreichen Inputs.

Das hat mir sehr weitergeholfen und ich werde mit diesen Infos die 
Schaltung nochmals genau analysieren.

[Alexander S. (alesi)]

Hallo,

wenn neben der Geschwindigkeit auch das Rauschen wichtig ist, hilft Dir 
evtl. dieser Artikel:

    https://zeus.phys.uconn.edu/halld/hpd-3-2005/frontends.pdf