Tool-Tipp Berechnung eines TIA oder was Beer mit Fotodioden zu tun hat

Autor / Redakteur: Thomas Tzscheetzsch * / Kristin Rinortner

Aufgrund sehr geringer Diodenströme hat ein Transimpedanzwandler häufig eine sehr hohe Verstärkung. Das macht die Auswahl des passenden Verstärkers nicht einfach. Unterstützung bietet der Photodiode Wizard.

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Fotodiode: Abschwächung des Lichts beim Durchgang durch eine Substanz
Fotodiode: Abschwächung des Lichts beim Durchgang durch eine Substanz
(Bild: Analog Devices)

Die Frage, was „Beer“ mit Fotodioden zu tun hat, lässt sich recht einfach beantworten: das Lambert-Beersche-Gesetz beschreibt die Abschwächung der Intensität einer Strahlung beim Durchgang durch ein Medium mit einer absorbierenden Substanz in Abhängigkeit von der Konzentration der absorbierenden Substanz und der Schichtdicke.

Nutzt man in einem Versuchsaufbau zur Bestimmung unbekannter Substanzen in einem Container eine Lichtquelle, wird das Licht abgeschwächt und Teile des Spektrums komplett oder teilweise gelöscht. Diese Reste des Lichts werden durch eine bzw. mehrere Fotodioden mit entsprechenden Filtern aufgenommen.

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Hierbei kommt nun der Photodiode Wizard ins Spiel. Um die Diode korrekt zu betreiben, wird in der Regel ein Transimpedanzwandler kurz TIA (engl. Trans Impedance Amplifier) eingesetzt. Der TIA wird benutzt, um den Strom durch die Diode in eine Spannung zu wandeln, die der nachfolgende A/D-Wandler wandeln kann.

Der Strom wird deswegen ausgewertet, da er sich linear zur Lichteinstrahlung auf die Diode verhält; die Spannung einer Fotodiode ist hingegen sehr nichtlinear (siehe Bild 2). Um den Arbeitspunkt der Diode mit dem niedrigsten Dunkelstrom einzustellen, sollte die Diode mit einer Versorgung von 0 V betrieben werden. Dieser Punkt wird jedoch nicht ganz erreicht, da der Verstärker (TIA) einen Offset am Eingang besitzt und daher der Arbeitspunkt leicht verschoben ist (Bild 2, rechter Ausschnitt).

Wie im Schaltbild ersichtlich, wird die Diode ohne zusätzlich Versorgung gegen Masse betrieben – es kann jedoch auch eine Versorgung größer 0 V angelegt werden. Trifft nun Licht auf die Fotodiode, fließt ein Strom (Id), der vom TIA in eine Spannung gewandelt wird. Im Idealfall fließt der komplette Strom durch den Feedback-Widerstand (Rf); da aber der Verstärker einen sogenannten Input Bias Current besitzt (Strom, der in die Eingangspins fließt), ergibt sich hierbei ein Fehler wie auch durch die Offsetspannung am Eingang des Verstärkers.

Um diese Fehler gering zu halten, sollte der Verstärker einen sehr geringen Offset der Eingangsspannung besitzen (typisch kleiner als 1 mV) und einen sehr geringen Eingangsstrom (Input Bias, typisch wenige pA). Aufgrund sehr geringer Diodenströme hat der TIA häufig eine sehr hohe Verstärkung, was zu einem hohen Bandbreiten-Verstärkungsprodukt führt. Das macht die Auswahl des passenden Verstärkers nicht einfach.

Diese Auswahl wird durch den Photodiode Wizard unterstützt. Als erster Schritt wird die Fotodiode ausgewählt oder, wenn diese nicht in der Auswahlliste erscheint, die drei Werte für Kapazität und Shuntwiderstand der Diode sowie der Spitzenstrom eingetragen. Im nächsten Schritt folgen die Ausgangsspannung, die Bandbreite bzw. Pulslänge und die Topologie der Schaltung.

Der Wizard schlägt einen passenden Verstärker vor, der jedoch der Anwendung angepasst und somit selbst selektiert werden kann. Als Ergebnis sieht man die Dimensionierung der Schaltung, Puls- und Frequenzantwort sowie verschiedene Diagramme zum Rauschen und Signal-Rausch-Abstand. Mit Hilfe dieser Diagramme können das Verhalten verschiedener Verstärker verglichen und dabei auch die Rauschquellen identifiziert werden. Als letzten Schritt können direkt aus dem Wizard heraus kostenlose Muster bestellt und die Design Files (bestehend aus den Diagrammen und der Stückliste) geladen, aber auch das Design an andere Mitarbeiter weitergeleitet werden.

Der Photodiode Wizard bietet eine einfache Möglichkeit, alle Punkte einer Schaltung zum Betrieb einer Fotodiode zu bedenken, einschließlich der Kompensation durch den Feedback-Kondensator.

* Thomas Tzscheetzsch arbeitet als Senior Field Application Engineer bei Analog Devices in München.

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