Sensor

Fotodioden-Transimpedanzverstärker

Berechnet Ausgangsspannung, Bandbreite und Rauschen des Transimpedanzverstärkers für die Fotodioden-Signalkonditionierung.

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Formel

V_out = I_ph × R_f, BW = 1/(2π × R_f × C_f)

R_f— Feedback resistance (Ω)

C_f— Feedback capacitance (F)

Wie es funktioniert

Ein Transimpedanzverstärker (TIA) wandelt den Ausgangsstrom einer Photodiode in eine nutzbare Spannung um. Der Operationsverstärker hält die Photodiode auf virtueller Masse (Nullvorspannung, minimiert den Dunkelstrom), und der Rückkopplungswiderstand R_f legt die Verstärkung fest: v_OUT = i_pH × R_F. Die −3-dB-Bandbreite wird durch das RC-Rückkopplungsnetzwerk begrenzt: BW = 1/ (2π × R_f × C_F), wobei c_F der Rückkopplungskondensator ist, der aus Stabilitätsgründen parallel zu R_f hinzugefügt wird. Ohne C_f kann die gesamte Eingangskapazität (Fotodiodenanschluss und Operationsverstärkereingang) zu Spitzenwerten oder Oszillationen führen. Eine gute Entwurfsregel besteht darin, die Bandbreite der Rauschverstärkung gleich dem Produkt der Verstärkungsbandbreite des Operationsverstärkers einzustellen: c_F ≥ √ (C_in/(2π × GBW × r_F)). Die dominierende Rauschquelle bei TIAs mit hoher Verstärkung ist das Johnson-Rauschen von R_f: e_n = √ (4kTr_F), was eine spektrale Rauschdichte in nV/√Hz ergibt. Bei der Wahl von R_f müssen Verstärkung (höherer R_f → höhere Ausgangsspannung) gegen Bandbreite und Rauschen (höherer r_F → niedrigerer BW, höheres Johnson-Rauschen, integriert über die Bandbreite) abgewogen werden.

Bearbeitetes Beispiel

Problem: Entwerfen Sie eine TIA für eine Photodiode mit 5 μA Vollstrom. Zielausgang 1 V bei voller Skala und BW ≥ 10 kHz. Welche R_f und c_F werden benötigt? Lösung: 1. Erforderliche Verstärkung: R_f = v_OUT/i_pH = 1 V/(5×10A) = 200 kΩ 2. Maximales c_F für 10 kHz BW: c_F = 1/ (2π × 200×10³ × 10×10³) = 79,6 pF → verwenden Sie 68 pF (Standard) 3. Johnson-Rauschen bei r_F = 200 kΩ: e_n = √ (4 × 1,38×10′²³ × 293 × 200×10³) × 10= 57,5 nV/√Hz 4. Überprüfen Sie den Operationsverstärker GBW: Sie benötigen GBW ≥ BW × R_F/R_IN, wählen Sie einen Operationsverstärker mit ≥ 1 MHz GBW Ergebnis: Verwenden Sie r_F = 200 kΩ, c_F = 68 pF, einen Operationsverstärker mit GBW ≥ 1 MHz (z. B. OPA657 oder TLV2372).

Praktische Tipps

✓Verwenden Sie einen Operationsverstärker mit FET-Eingang (z. B. OPA657, AD8065), um ein optimales Rauschverhalten zu erzielen — der niedrige Eingangsvorstrom (< 10 pA) verhindert eine Erhöhung des Dunkelstroms der Photodiode.
✓Platzieren Sie c_F physisch über R_f auf der Leiterplatte, nicht nur im Schaltplan — Streukapazität von langen Leiterbahnen kann bei hohen Verstärkungen zu parasitären Schwingungen führen.
✓Ziehen Sie für Breitband-TIAs (> 1 MHz) einen Transimpedanzverstärker-IC (z. B. MAX3864) in Betracht, der den Operationsverstärker und das Feedback-Netzwerk für eine optimierte Hochfrequenzleistung integriert.

Häufige Fehler

✗Wenn Sie den Rückkopplungskondensator c_F weglassen — die parasitäre Photodioden-Sperrschichtkapazität (sogar 10 pF) erzeugt eine resonante Spitze mit R_f, die oszillieren kann; addieren Sie immer C_f.
✗Verwendung eines langsamen Operationsverstärkers (< 1 MHz GBW) — die TIA-Bandbreite wird durch min (1/ (2ωR_FC_F), GBW/Noise_Gain)) festgelegt; ein langsamer Operationsverstärker begrenzt BW weit unter dem RC-Cutoff.
✗Wenn R_f für die gewünschte Bandbreite zu groß gewählt wird — 1 MΩ bei 10 pF C_f ergibt das nur 15,9 kHz BW; überprüfen Sie das RC-Produkt, bevor Sie R_f finalisieren.

Häufig gestellte Fragen

Warum ist die Photodiode bei virtuellem Boden in umgekehrter Richtung und nicht in Vorwärtsrichtung vorgespannt?

Im photoleitenden Modus (umgekehrte Vorspannung) wird die Kapazität der Fotodiodenschicht minimiert und die Linearität maximiert. Der TIA-Operationsverstärker hält die Kathode auf virtueller Masse (0 V) und sorgt für eine Sperrvorspannung, wenn sich die Anode auf Masse befindet, während der Photostrom in den Rückkopplungswiderstand fließt. Eine Nullvorspannung oder Sperrvorspannung reduziert zudem den Dunkelstrom im Vergleich zur Vorwärtsvorspannung.

Was ist der Unterschied zwischen dem photovoltaischen und dem fotoleitenden Modus?

Im Photovoltaikmodus (Nullvorspannung) fungiert die Photodiode als Stromquelle mit sehr niedrigem Dunkelstrom — ideal für Präzisionsanwendungen bei schlechten Lichtverhältnissen. Im photoleitenden Modus (umgekehrte Vorspannung, in der Regel bis zu −5 V) wird die Sperrschichtkapazität reduziert, was zu einer schnelleren Reaktion und einer besseren Linearität führt, allerdings auf Kosten eines etwas höheren Dunkelstroms. TIAs betreiben die Photodiode in der Regel mit einer Vorspannung von oder nahe Null (virtuelle Masse).

Wie berechne ich die TIA-Geräuschäquivalenzleistung (NEP)?

NEP = Rauschstrom/Empfindlichkeit. Das eingangsbezogene Stromrauschen ist i_n = E_n_R/r_F = √ (4kT/r_F) A/√Hz. Dividiere durch die Empfindlichkeit der Photodiode (A/W), um NEP in W/√Hz zu erhalten. Ein niedrigerer NEP bedeutet, dass der TIA schwächere Lichtsignale erkennen kann.

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