Hallo - ich wollte mir einmal weitere Meinungen oder auch Vorschläge bezüglich einer zu realisierenden Schaltung holen. Und zwar möchte ich eine Photodiodenverstärkerschaltung realisieren. (Die Bandbreite spielt dabei keine rolle ich möchte keine Kommunikation aufbauen sondern nur rein den Strom messen). Als Schaltungstyp kommt nur ein TIA in frage (wegen messen von kleinsten Strömen mit akzeptablen rauschen). Sie soll um den Faktor 10^8 verstärken können. An diesem Punkt habe ich bereits die erste Frage zu den Operationsverstärkern. Und zwar bezieht sie sich auf die Open-Loop Verstärkung. Die Frage die ich mir dazu stellte ist die, ob das bereits die maximal Verstärkung ist? Man liest in den Datenblättern z.B. GAIN 140dB und Open-Loop 135dB... bedeutet dies, dass bei einer Verstärkung von 10^7 bereits nicht mehr voll verstärkt wird? (Verstärkungsfehler?) Zudem möchte ich mit der Schaltung erreichen, dass ich in der Lage bin Ströme im pA Bereich (~500pA) zu messen. Ich weiß, dass dies nicht so einfach werden wird da der OP dabei eine wichtige rolle spielt... BIAS Strom, Drift, Weißes Rauschen (1/f) bzw. Farbiges rauschen oder auch allgemeines rauschen der gesamten Schaltung... Interessant fand ich dabei den OPA381 wobei das 1/f rauschen sehr groß ist und ich damit wohl nicht im pA Bereich landen werde. Desweiteren fiel mit der lmp2021 auf bei dem ich bisher keine negative Eigenschaft gesehen habe weshalb es mit diesem nicht gehen sollte. Dann habe ich einmal eine ganz normale TIA Schaltung mit dem lmp2021 in pspice simuliert und war eher überrascht über das Resultat... laut Simulation konnten Ströme >=2.5nA gemessen werden wobei eine relativ hohe Offsetspannung am Ausgang des OP's endstand. Hätte evtl. wer eine Idee, welchen OP's noch getestet werden könnten? Für die Schaltung wäre es schön, wenn der OP nur "Single Supply (+5V)" betrieben wird. MfG
Die Open Loop Verstärkung gibt die maximale Spannungsverstärkung an. Beim TIA hat man aber eine Wandlung von Strom in Spannung. Entsprechend hat die Verstärkung eine Einheit : nämlich V/A oder Ohm. Da sind dann 10^8 V/A noch möglich, wenn auch bereits ein recht hoher Wert. Je nach Geschwindigkeit wäre ggf. ein 2 stufiger Aufbau mit TIA und dann z.B. 10-100 facher Spannungsverstärkung ggf. angebracht. Der LMP2021 ist als Auto zero OP eher nicht so gut für extrem kleine Ströme geeignet. Auch damit kann man noch bis in den pA Bereich kommen, wenn auch mit deutlichem Offset (Bias Strom), den man halt abgleichen müsste. Normal nimmt man da eher normale rausscharme OPs mit CMOS Eingang (z.B. OPA350, MCP6021,LMP7721). Wichtiger als die Wahl des OPs ist fast der Leckstromarme Aufbau.
500pA Genauigkeit sind kein Problem. was ist der maximale Strom, wie groß ist die Kapazität der Diode? Welche Frequenz soll angepeilt werden? 1kHz?
Achja, single supply ist keine gute Idee. Auch bei Rail2Rail Verstärkern kommt man nicht bis ganz an die unteren Rails. Es sei denn du kannst mit einem Offset leben, dann hebt man die virtuelle Masse etwas an.
Pascal T. schrieb: > Zudem möchte ich mit der Schaltung erreichen, dass ich in der Lage bin > Ströme im pA Bereich (~500pA) zu messen. > Sie soll um den Faktor 10^8 verstärken können. > An diesem Punkt habe ich bereits die erste Frage zu den > Operationsverstärkern. Und zwar bezieht sie sich auf die Open-Loop > Verstärkung. Die Frage die ich mir dazu stellte ist die, ob das bereits > die maximal Verstärkung ist? > Man liest in den Datenblättern z.B. GAIN 140dB und Open-Loop 135dB... > bedeutet dies, dass bei einer Verstärkung von 10^7 bereits nicht mehr > voll verstärkt wird? (Verstärkungsfehler?) Du bringst da was durcheinander. Deine "Verstärkung" ist nicht die Spannungsverstärkung der OPVs aus dem Datenblatt. Du willst eine Strom/Spannungs-Wandlung von 10^8 V/A. Also 500pA -> 50mV. Diese Wandlung macht ein Widerstand, nicht der OPV. Natürlich brauchst du einen OPV mit <<500pA Eingangsstrom. > (Die Bandbreite spielt dabei > keine rolle ich möchte keine Kommunikation aufbauen sondern nur rein den > Strom messen). > Ich weiß, dass dies nicht so einfach werden wird da der OP dabei eine > wichtige rolle spielt... BIAS Strom, Drift, Weißes Rauschen (1/f) bzw. > Farbiges rauschen oder auch allgemeines rauschen der gesamten > Schaltung... Wenn die Bandbreite gegen 0 geht, geht das Rauschen in Drift über. Diese OPV-Parameter sind dann wichtig.
Das freut mich echt zu hören! Den maximale Strom wollte ich später anhand des jeweiligen Verstärkungsfaktors fest machen, da ich mich nicht auf eine bestimmte Photodiode beschränken wollte. Die Kapazität der Dioden ist im Kurzschlussbetrieb relativ groß und liegt bei meiner Photodiode (BPW20RF) etwa bei 1.2nF. Zugegeben es ist eine relativ große PD aber sollte reichen. Hätte aber auch noch eine BPW34 da. Die 1 kHz wären voll ausreichend. EDIT: Ahh okay also spielt die Open-Loop Verstärkung bei einem TIA keine Rolle? Bzw. ist nur bei VV-OP relevant? Mit einem Offset könnte ich gegeben falls leben es sei denn die Genauigkeit würde dadurch zerstört werden z.B. durch eine instabile Offsetspannung (Temperatur, Drift...)
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Warum Diode? Zum Photonenzählen kann man auch PMT nehmen.
http://www.analog.com/designtools/en/photodiode/#/photoDiode Hier kannst du mit ein paar Werten spielen.
Pascal T. schrieb: > Sie soll um den Faktor 10^8 verstärken können. Dann teil das auf in 4 x 10^2, oder zumindest 3 x 450, in getrennten Abschirmboxen mit getrennter Versorgung. Da das Rauschen des TIA Widerstandes auch sehr hoch ist, nutze ei T Netzwerk. https://www.idc-online.com/technical_references/pdfs/electronic_engineering/High-Gain%20Transimpedance%20Amplifier.pdf Und die kapazitiven Effekte störe auch http://www.linear.com/solutions/5633 http://pdfserv.maximintegrated.com/en/an/TUT5129.pdf
Bei niedrigen Bandbreiten ist das Rauschen meist noch ok. Ich zitiere einmal Bob Pease: http://m.electronicdesign.com/analog/whats-all-transimpedance-amplifier-stuff-anyhow-part-1 "Meanwhile, try to avoid Tee networks in the feedback network. They often cause poor signal-to-noise ratios. Next time, I'll explain that completely. Yes, a Tee network might help you avoid buying 1000-MO resistors, but that's only okay when you have proven that the noise is okay." Die genaue Begründung habe ich leider nicht gefunden, doch er weiß normal wovon er redet.
Pascal T. schrieb: > Als Schaltungstyp kommt nur ein TIA in frage > Sie soll um den Faktor 10^8 verstärken können. Du bist konfus. Die Eingangsgröße eines TIA ist ein Strom. Die Ausgangsgröße ist eine Spannung. Der Quotient aus beidem ist also mitnichten eine dimensionslose Zahl. > An diesem Punkt habe ich bereits die erste Frage zu den > Operationsverstärkern. Und zwar bezieht sie sich auf die Open-Loop > Verstärkung. Die Frage die ich mir dazu stellte ist die, ob das bereits > die maximal Verstärkung ist? <seufz> Defininitionsgemäß ist die open loop Verstärkung die Spannungs (!)- Verstärkung des OPV ohne Gegenkopplung. Kurze Gegenfrage: wird die Verstärkung einer Stufe durch Gegenkopplung größer oder kleiner? Anschlußfrage: ist es möglich noch weniger als gar nicht gegenzukoppeln? > Man liest in den Datenblättern z.B. GAIN 140dB und Open-Loop 135dB... > bedeutet dies, dass bei einer Verstärkung von 10^7 bereits nicht mehr > voll verstärkt wird? (Verstärkungsfehler?) Siehe oben.
Gerald schrieb: > Ich zitiere > einmal Bob Pease: .... > Die genaue Begründung habe ich leider nicht gefunden, doch er weiß > normal wovon er redet. Zumindest wusste er es, denn vor fast genau vier Jahren ist er bei der Rückfahrt von der Beerdigung seines Freundes Jim Williams, -diesen Namen wirst du auch kennen-, mit seinem Käfer gegen einen Lichtmast gefahren. r.i.p. http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1259751
Das T-Netzwerk bringt einem immer mehr Rauschen, weil das Widerstandsrauschen nur mit SQRT(R) steigt, das Rauschen durch die zusätzliche Verstärkung des T aber linear. Einige G-Ohm Verstärkung sind normalerweise kein Problem. Es kommt halt auf die Bandbreite an (da kann das T wieder hilfreich werden).
Beim Rauschen sollte man bedenken, das oft das Schrotrauschen aus dem Photostrom dominiert, oder wenigstens größer ist als das Rauschen des Widerstandes. Schon ab etwa 50 mV Gleichspannung am Rückkopplungswiderstand ist das der Fall.
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