Hallo liebes Forum, ich habe eine Frage an euch: Für ein Projekt für die Uni will ich eine Fotodiode auswerten. Dazu habe (so wie ich es in der Literetur oft vorgefunden habe) einen Transimpedanzwandler verwendet. Hierbei wird der von der Fotodiode generierte Strom in eine Spannung umgewandelt (Stichwort: Betrieb als Fotoelement, siehe linke Schaltung in der Abbildung). Ich habe nun ein Problem, dass mein Professor meint, dass diese Schaltung ungeeignet sei (obwohl ich es bereits durchgeführt und probiert habe - und es funktioniert!). Er sagt, da ein extrem niedriger Strom von der Fotodiode generiert wird, muss somit mittels einem sehr hochohmigen Widerstand eine hohe Verstärkung realisiert werden. Er meint, dass das schlecht ist, da die Störungen (Rauschen) dadurch auch sehr stark verstärkt werden. Laut seiner Meinung ist es besser, anstelle dem Widerstand einen Kondensator zu nehmen. Somit sollte die Schaltung als ein Integrierer dienen. Dadurch soll das Rauschen nicht verstärkt werden. Die Auswertung soll erfolgen, indem bis zu einem bestimmten Wert (zB 1V) aufintegiert werden soll, und anhand der Zeit bis dieser Wert erreicht ist, soll man auf den Wert der Fotodiode rückschließen können (siehe dazu rechte Schaltung in der Abbildung) Es klingt irgendwie logisch, aber ich habe nach so einem Prinzip zur Auswertung der Fotodiode im Internet UND in Büchern gesucht. Gefunden habe ich diesbezüglich nichts! Weiß jemand, ob das wirklich eine geeignete mögliche Messschaltung darstellt? Wenn ja, könntet ihr mit Voteile, Nachteile oder noch besser eine Literaturangabe geben? Vielen Dank für eure Hilfe!! LG
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Peter schrieb: > Weiß jemand, ob das wirklich eine geeignete mögliche Messschaltung > darstellt? Hängt davon ab, was du messen willst. Wenn du kurze Ansprechzeiten brauchst, wird ein Integrator nicht viel nützen.
Diese Schaltung wird für (relativ) langsame Messungen durchaus benutzt. Ein Problem stellt allerdings der zum Entladen des Kondensators nötige Schalter dar, denn der hat naturgemäß störende Leckströme.
Hallo, danke für eure Antworten: Dass es sich um eine längere Messzeit handelt ist grundsätzlich egal. Wichtig ist eher die Genauigkeit. Das heißt, grundsätzlich würde so eine Schaltung funktionieren? Ich dachte nämlich, dass ein Integrator nur eingesetzt werden kann, um eine Spannung zu integrieren. Ich habe im Eingang ja nur einen Strom...
Die Schaltung mit dem Integrator hat ggf. einen kleinen Vorteil beim Rauschen. Der Widerstand in der Rückkopplung erzeugt zusätzliches Rauschen der Kondensator aber nicht. Allerdings ist das Rauschen des Widerstandes oft nur eine kleiner Teil des Gesamtrauschens. Es hängt halt von der genauen Anwendung (Frequenzbereich und Strombereich) ab, ob man den einfachen TIA nutzen kann oder besser den Integrator nutzt. Der TIA braucht ggf. auch noch einen Kondensator parallel in der Rückkopplung, damit er nicht schwingt.
Peter schrieb: > Es klingt irgendwie logisch Rauschen kann man immer durch Mittelwertbildung per Kondensator wegfiltern, wenn man keine schnelle Reaktion des Ausgangssignals braucht. Der Integrator erlaubt auch keine schnelle Reaktion. Bei ihm fehlt dann das Rauschen des hochohmigen Widerstandes, aber gäbe es ihn, würde das auch weggefiltert werden, also niemals stören.
Erzähl bitte genauer, um was es geht. Wenn es langsam sein muss: Verwende eine hohe Verstärkung und setze einen Tiefpassfilter am Ausgang ein. Dann ist das Rauschen auch weg. Alternativ gibts noch die Möglichkeit, den Kondensator parallel zum Widerstand zu schalten. Auch damit lässt sich filtern und außerdem wird die Stabilität der Schaltung besser, die Schwingneigung ist reduziert. Einen Tipp kann ich dir noch geben: Lad dir doch mal LTSpice herunter und simuliere das Ganze.
Wie viel man filtern kann, hängt davon ab, wie schnell auf das Signal reagiert werden muss. Da sind also Grenzen gesetzt. Je nach Art der Auswertung kann auch der Integrator schnell reagieren. Ob das Rauschen des Widerstandes stört, hängt von der Anwendung ab - es kann ggf. auch der wesentliche Teil der Störungen sein, wenn der Widerstand realtiv klein ist, aber mehr Rauscht als der OP. Oft ist das Schrotrauschen der Photodiode/Lichtquelle bereits größer - etwa aber 50 mV Gleichspannung am Widerstand, sofern man keine besonders rauscharme (spezieller Laser) Lichtquelle hat.
Peter schrieb: > Ich dachte nämlich, dass ein Integrator nur eingesetzt werden kann, um > eine Spannung zu integrieren. > Ich habe im Eingang ja nur einen Strom... Das ist falsch gedacht, ein Integrator lebt immer von einem Strom (der in vielen Fällen von einer Spannung durch einen Widerstand getrieben wird). Da der Summenpunkt eines nichtinvertierenden OP immer auf konstantem Potential liegt, ist der Strom in den Integrationskondensator identisch mit dem Eingangsstrom.
Peter schrieb: > Weiß jemand, ob das wirklich eine geeignete mögliche Messschaltung > darstellt? Tut es, kommt nur drauf an, wofür. Man kann auch beides kombinieren und zum Widerstand einen Kondensator parallel schalten. Dann werden Störungen weggefiltert und man muss nicht extra den Integrator nullen.
Danke für eure Antworten, ich fasse mal alles zusammen: Prinzip mit hohem Widerstand (Transimpedanzwandler): VT: relativ schnell NT: Störungen werden auch verstärkt Prinzip mit Kondensator, anstelle des Widerstandes (Integrator) VT: genauer NT: eher langsam, Kondensator muss wieder entladen werden Wie könnte man den Kondensator wieder entladen? Reicht es mit einem "einfachen" Schalter, oder müsste man da auch noch eine aufwendigere Schaltung hinzufügen?
Peter schrieb: > Wie könnte man den Kondensator wieder entladen? Indem man einen hochohmigen Widerstand parallel schaltet.
Wolfgang schrieb: > Indem man einen hochohmigen Widerstand parallel schaltet. Das ist die wohl denkbar schlechteste Idee bei dieser Aufgabenstellung Lurchi schrieb: > Der Widerstand in der Rückkopplung erzeugt zusätzliches > Rauschen Das Widerstandsrauschen ist proportional zur Wurzel des Widerstandes, das Signal ist proportional zum Widerstand. Das SNR bzgl. des Widerstandrauschens wird mit steigendem Widerstand also besser bei TIA:
Problem ist dabei wohl eher, dass ein steigender Feedbackwiderstand auch das Stromrauschen von Photodiode und OPV mit verstärkt. Wollte ich nur mal so erwähnen nicht dass jemand auf die Idee kommt, das Rauschen des Widerstandes wäre das Problem. Der Widerstand macht die Probleme bzgl. Rauschen nur sichtbar.
Michael K. schrieb: > Das ist die wohl denkbar schlechteste Idee bei dieser Aufgabenstellung Begründung? Guck dir mal TIAs an. Der Widerstand bestimmt den Umsetzungsfaktor und der Kondensator bildet zusammen mit dem Widerstand einen Hochpass. Damit werden insgesamt höherfrequente Störanteile zunehmend unterdrückt.
Die Schaltung als Ladungsverstärker macht halt eine Filterung / Integration, die man je nach Anwendung gebrauchen kann, oder auch gerade nicht. Rauschen von der Fotodiode oder dem OP werden auch in der Schaltung mit dem Kondensator genau so stark mit verstärkt und dann gefiltert - es ist nur das Widerstandsrauschen das entfällt. Die Filterfunktion kann man auch nach dem Eingangsverstärker machen, ist also kein so großer Vorteil. Die TIA Schaltung (oft mit kleinem Kondensator parallel) ist schon der Standard, und in vielen Fällen auch völlig ausreichend. Bei der Messung des Photostromes ist in vielen Fällen das Schrotrauschen der limitierede Faktor - da kann dann ein besserer Verstärker auch nichts wesentliches mehr verbesser. Der Ladungsverstärker könnte besser sein, wenn man die Integration braucht (etwa Pulse) oder wenn man den Widerstand nicht so groß machen kann, dass die Spannung mehr als 50 mV erreicht. Das kann passieren wenn man keine so großen Widerstände bekommt, oder weil zu anderen Zeiten der Verstäker sonst in die Sättigung kommt.
Peter schrieb: > Wie könnte man den Kondensator wieder entladen? Das genau ist das Problem dabei. Dass der Messstrom so gering ist, hängt ja von der Photodiode ab, bei der Kondensatorschaltung ist er auch nicht grösser als beim TIA. Damit sich durch den Schalter kein zusätzlicher Fehler ergibt, muss der Entladeschalter im offenen Zustand einen Reststrom haben, der geringer ist als der Dunkelstrom der Photodiode, wir reden da von pA. Damit scheiden Halbleiter aus. Vielleicht ein sehr sehr gutes Reedrelais. Georg
Wolfgang schrieb: > Michael K. schrieb: >> Das ist die wohl denkbar schlechteste Idee bei dieser Aufgabenstellung > > Begründung? > > Guck dir mal TIAs an. Der Widerstand bestimmt den Umsetzungsfaktor und > der Kondensator bildet zusammen mit dem Widerstand einen Hochpass. Damit > werden insgesamt höherfrequente Störanteile zunehmend unterdrückt. Dann die Gegenfrage: Welcher Strom der Photodiode fließt in den Kondensator und welcher davon am Kondensator vorbei durch den Widerstand?
Lurchi schrieb: > Rauschen von der Fotodiode oder dem OP werden auch in der > Schaltung mit dem Kondensator genau so stark mit verstärkt und dann > gefiltert Auf dem Kondensator und damit als Ausgang vom OP taucht nur der aufintegrierte Erwartungswert auf - und der ist für das Rauschen gleich Null. Michael K. schrieb: > Dann die Gegenfrage: Welcher Strom der Photodiode fließt in den > Kondensator und welcher davon am Kondensator vorbei durch den > Widerstand? In der Gegenkopplung vom OP liegt ein ganz gewöhnlicher Hochpass und der hat bekanntlich eine konstante DC-Verstärkung, die dann für den TIA den DC-Skalierungsfaktor für die Umsetzung Diodenstrom -> Ausgangsspannung bestimmt. Für höherfrequente Anteile des Stromes, die auch über den Kondensator fließen, ist der Skalierungsfaktor entsprechend kleiner.
Wolfgang schrieb: > In der Gegenkopplung vom OP liegt ein ganz gewöhnlicher Hochpass und der > hat bekanntlich eine konstante DC-Verstärkung Richtig. Der TE hat aber quasi ein DC-Signal und will damit gezielt den Kondensator aufladen mit der Photodiode...denk einfach noch mal über die Ausgangsbedingung nach. Der Strom soll über einen Intregrator gemessen werden und gefragt wurde, wie man den Kondensator wieder entläd nach der Messung und du empfiehlst einfach einen Widerstand parallel zu schalten. Für den Integrator ist das die denkbar schlechteste Idee, damit machst du ja den Integrator kaputt.
Also jetzt wird hier die ganze Zeit über Rauschen geredet, dass ich mal ein paar praktische Tips dazu abgebene möchte: Texas Instruments hat zusammen mit dem guten alten Jerald Graeme eine Reihe ausgearbeitet, die beinhaltet recht viele Antworten. kurz Zusammengefasst: TIA: benutze ich persönlich immer, wobei man genau auf die Specs des benutzten OPs kucken sollte, vor allem je höher die Verstärkung , also der Feedback Widerstand ist, dieser verstärkt nämlich schon richtig erwähnt alle Nutz als auch Fehlersignale am Eingang. Besonders ist dabei auf den Input Bias Strom zu achten, der wird nämlich mitverstärkt., außerdem wird es bei hohen Verstärkungen mit der Stabilität noch belibieg komplex, daher dann ein kleiner Kondensator parallel zum großen Feedback-Widerstand. Integrator: Habe ich persönlich noch nie benutzt um eine Photodiode auszulesen, ist sicherlich möglich, mit dem Rauschen kenne ich mich da nicht so aus, allerdings muss das C irgendwann geleert werden, da stellt sich natürlich immer die Frage ist das C wirklich bei 0V, und benutzt man eine Zusaztschaltung mit Reedrelais zum Nullen, etc.. Also ich würde einen vernünftigen TIA aufbauen, da findet mans icherlich auch mehr Hilfe in Internet und Literatur.
Noch kurz was am Rande, man kann zur Auswertung einer Fotodiode auch eine Si-Diode in den RK-Zweig schalten. (log. Verst.) http://www.umnicom.de/Elektronik/Schaltungssammlung/Licht/LichtMessung/LED/Bild07.gif http://www.umnicom.de/Elektronik/Schaltungssammlung/Licht/LichtMessung/LED/LEDs.html
Damian schrieb: > http://www.umnicom.de/Elektronik/Schaltungssammlung/Licht/LichtMessung/LED/LEDs.html "Der OP sollte eine möglichst kleine Eingangs-Offsetspannung besitzen. " das ist für die allermeisten TIAs schlichtweg falsch. " Input bias spannung sollte so klein wie möglich sein" das sollte da stehen. Das ist dann auch der Unterschied von CMOS JFET Eingangsstufen zu BJT Eingangsstufen. Aber wie alles in der Analogelektronik, muss man selber für seine Anwendung spezifisch kucken, was man benötigt.
jgh schrieb: > Damian schrieb: >> > http://www.umnicom.de/Elektronik/Schaltungssammlung/Licht/LichtMessung/LED/LEDs.html > > "Der OP sollte eine möglichst kleine Eingangs-Offsetspannung besitzen. > " > > das ist für die allermeisten TIAs schlichtweg falsch. Na der Satz hatte aber auch Bezug zu einer bestimmten TIA-Schaltung und dafür ist die Aussage völlig korrekt ;) Wieso wird nur immer wieder alles aus dem Zusammenhang gerissen?
Ok, ich bin ja immer bereit für Denkanregungen :) Hab nochmal den Link angesehen, die arbeiten mit 1 MegOhm also 10^6 Verstärkung, was ich schon als recht hoch ansehen würde. Deren OpAmp, hat CMOS-Eingang, also optimiert auf Eingangsbias-Strom :) dann steht da noch was von 2 mV Offsetspannung, was gering ist, aber das wichtige ist nach wie vor der InputBias Strom weil der mit 10^6 mitverstärkt wird, und da machen dann nA im Gegensatz zu den 1 pA typ. ( Datenblatt genau lesen, das kann nämlcih maximal 100pA werden ) schon sehr viel mehr aus als die 2mV. Also ich bleib mal bei meiner MEinung, die webseite hat sich da vertan, aber das ganze ist natürlich auch kein einfaches Thema mehr, hat mich auch einige JAhre und einige Platinen und HAare gekostet das zu begreifen :)
Ein kleine Offsetspannung ist für den TIA meist nicht wichtig - das gibt nur einen kleinen DC offset am Ausgang und eine minimal andere Spannung am Sensor. Eine geringe Offset Drift ist da ggf. schon wichtiger, wobei bei einer relativ hohen Verstärkung das auch nicht so dramatisch ist. Wichtig sind gringer Bias Strom und ggf. ein geringes Spannungsrauschen, wenn man nicht nur am DC Wert oder sehr niedrigen Frequenzen interessiert ist und der Sensor eine merkliche Kapazität hat. Die wesentlichen Rauschquellen sind halt: 1) Schrotrauschen vom Detektor / Lichtquelle 2) Eigenrauschen des Detektors 3) Spannungsrauschen des OPs geteilt durch Impedanz des Detektors 4) Stromrauschen des OPs (vom Bias Strom) 5) Stromrauschen des Widerstandes (fällt beim Integrator weg)
jgh schrieb: > Hab nochmal den Link angesehen, die arbeiten mit 1 MegOhm also 10^6 > Verstärkung, was ich schon als recht hoch ansehen würde. Das ist eher oberes Mittelfeld. Das Problem ist die LED, die hier als Photodiode missbraucht wird. Die hat einen relativ geringen Widerstand (im Vergleich zu sonst üblichen Photodioden). Die Offset-Spannung sieht aber keinen TIA sondern einen Elektrometer-Verstärker. Grade also bei kleinen Beleuchtungsstärken macht sich dann die Offset-Spannung unangenehm bemerkbar. Geht man mal von üblichen 500kΩ beim LED-Widerstand in Sperrrichtung aus (entspricht 10 µA bei 5V Sperrspannung, üblich bei LEDs) sieht die Offset-Spannung einen Elektrometerverstärker mit der Verstärkung ~3. jgh schrieb: > Deren OpAmp, hat CMOS-Eingang, also optimiert auf Eingangsbias-Strom :) > dann steht da noch was von 2 mV Offsetspannung, was gering ist, aber das > wichtige ist nach wie vor der InputBias Strom weil der mit 10^6 > mitverstärkt wird, und da machen dann nA im Gegensatz zu den 1 pA typ. ( > Datenblatt genau lesen, das kann nämlcih maximal 100pA werden ) schon > sehr viel mehr aus als die 2mV. Klar, der Inputbias-Strom ist auch sehr wichtig, keine Frage. Da hätte man auf der Seite auch drauf hinweisen können/sollen. Aber die 100pA führen am Ausgang in der dort beschriebenen Schaltung zu 0.1 mV Fehler. Die 2 mV Offset-Spannung (die ich übrigens recht hoch finde) führen zu immerhin 6 mV Fehler am Ausgang. Also ich kann schon verstehen warum in dieser Situation auf die Offset-Spannung verwiesen wurde ;)
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Hallo, eine Frage habe ich noch. Ich habe versucht eure Antworten auf einem Papier darzustellen. Beim TIA wird, so wie ich es aufgezeichnet habe (siehe Bild), die Störung mitverstärkt. Beim Integrator allerdings nicht. Könnt ihr mir sagen, ob ich das richtig dargestellt habe?
Peter schrieb: > Könnt ihr mir sagen, ob ich das richtig dargestellt habe? Nein, nicht ganz - beim Integrator kann die Ausgangsspannung nicht nach unten gehen, es gibt daher höchstens Treppenstufen, keine Zacken wie gezeichnet. Die Störungen werden daher nicht nur nicht verstärkt, sondern unterdrückt, misst du die Spannung zu einem bestimmten Zeitpunkt, so hast du das Integral des Eingangsspannungsverlaufs (kann sein dass das daher Integrator heisst). Georg
Vielleicht kommt die Idee mit dem Integrator vom Datenblatt des Opa380 http://www.ti.com/lit/ds/sbos291g/sbos291g.pdf Im neuen "Art of Electronics" (3. Auflage) p327,328 ist auch das Rauschen der Schaltung behandelt.
Dein Schaltungsvorschlag läuft auf einen Dual-Slope hinaus. Langsam wie Dein Multimeter - aber genau.
Dein Schaltungsvorschlag läuft auf ein Dual-Slope hinaus. Langsam wie Dein Multimeter - aber genau.
Der Integrator kann auch nicht zwischen Signal und der Störungen unterscheiden. Wirklich wegfallen tut nur Rauschen des Widerstandes. Diee Signalfilterung kann man beim TIA auch danach machen, so wie man sie braucht. Das kann z.B. ein integrierender ADC sein. Das Rauschen hinter dem Integrator kann schon auch hoch und runter gehen, denn der Rausschstrom geht in beide Richtungen. Ein Offset von 2 mV ist im üblichem Rahmen für FET OPs. Der Offset wird über den TIA auch nicht verstärkt - es bleiben am Ausgang auch 2 mV. Ein Problem ist aber ggf. der Detektor der mit 2 mV Spannung schon einen merklichen Strom liefert. Der Bias Strom ist in zweierlei hinsicht wichtig. Zum einen gibt der einen Offset, dann meist auch noch eine Dirft dazu, weil der Biasstrom nicht unbedingt stabil ist (vor allem bei FET OPs). Schließlich hängt auch noch das Stromrauschen der meisten OPs direkt mit dem Bias Strom zusammen - mehr Bias gibt also in der Regel auch mehr Stromrauschen (mit der Außnahme von BJT basierten OPs, wo der Bias Strom ggf. teilweise kompensiert wird).
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Lurchi schrieb: > Ein Offset von 2 mV ist im üblichem Rahmen für FET OPs. Der Offset wird > über den TIA auch nicht verstärkt - es bleiben am Ausgang auch 2 mV. Das ist leider falsch. Hier kommt es auf den Innenwiderstand der "Stromquelle" am TIA an. Ist dieser z.B. genauso groß wie der Feedback-Widerstand wird die Offsetspannung mit dem Faktor 2 verstärkt denn diese sieht keinen TIA sondern einen nicht-invertierenden Verstärker, auch Elektrometerverstärker genannt, mit der Verstärkung:
In den Üblichen Photodiodenanwendungen ist allerdings R_Feedback << R_Stromquelle wodurch dann die Offsetspannung quasi unverstärkt am Ausgang erscheint.
jgh schrieb: > Hab nochmal den Link angesehen, die arbeiten mit 1 MegOhm also 10^6 > Verstärkung, was ich schon als recht hoch ansehen würde. Nuja eine erprobte Schaltung ist: Hamamatsu S-6931-1 Diode LTC6240 OPV Gegenkoppelung mit 15M parallel zu 4n7. Dahinter 56 und 100n als RC Glied direkt vor einem 24 Bit ADC ADS1240. Den +IN am OPV auf 130mV geklemmt, sonst macht der "Output Swing Low" des OPV Probleme. Den LTC6240 kannst Du prima in LTspice simulieren. Eine Diode musst Du ggf. nachbilden(Leckstrom, Kapazität).
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