Photo DIODEN
Strom-Spannungswandler = Transimpedanz Verstärker
kurz TIA
genannt.
Immer wieder von den Physikern gebraucht:
#Erfahrungsbericht
bestes Design: #FET_BOOTSTRAP
#FET_Bootstrap_mit_Konstanstrom_Stand_30.08.22
LINKS: Rechereche links:
03-PhysSens-LED_Verstärker.pdf
136773_tschepp_andreas_2011.pdf
https://www.researchgate.net/figure/InAsSb-photodiode-bootstrapped-transimpedance-amplifier-schematic_fig1_327792318
Interessant: https://www.osapublishing.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-27-3-2125&id=404281
Transimpedance
design flow usin high speed OPamps.pptx
oder als PDF : 2766.Transimpedance
design flow using high speed op amps.pdf
Miniature_Uncooled_and_Unchopped_Fiber_Optic_Infra.pdf
https://www.electronicdesign.com/technologies/analog/article/21806128/matched-jfets-improve-photodiode-amplifier
Bootstrap:
https://cold-forging.top/bootstrap-diode-capacitance-and-cable-capacitance-free-from-transimpedance-design-issues/
https://www.electronicdesign.com/technologies/analog/article/21806128/matched-jfets-improve-photodiode-amplifier
Sonstiges:
https://www.mikrocontroller.net/topic/452486
Siehe auch FotoAMP_frontends.pdf
Youtubes der Signale ( experimentell )
https://youtu.be/_UgpI71ikrw
https://youtu.be/bDthywDnRQQ
https://youtu.be/2m3WZjU9asY
Begriffe GBP = Gain Bandwidth Product
Common Mode Reaction = Gleichtaktverhalten
RECHERCHE:
TIA
Trans Impedanz Verstärker Konzept (
Grundkonzept )
U (TIA Ausgang) = -1 * I *R =-1 * I_Photodiode * Ri
Ri = 47K
Cf (~1-..22pF) bestimmt
maßgeblich die Grenzfrequenz
Funktion. Ein OP tut alles um die Eingansgspannungsdifferenz auf 0 V zu
bringen. (+) Input = statisch 0V. Kann jedoch
auch einen Offset haben
Wenn also ein Diodenstrom den Eingang (-) aus der 0V Position bringen
will, stellt der OP eine Spannung entgegen, dass wieder 0V am (-)
anstehen
Bsp: I Foto= 10nA * 47K = -4.7^-4 Volt
Bsp: I Foto= 10nA * 500K = -5^-3 Volt
Doch nichts geht so einfach. Wie immer. Probleme: Rauschen des OP/Der
Dioden,
Die hohe Diodenkapazität. ~1 +x nF ( im Dunklen )
Ein gute Gegenmaßnahme ist
eine Sperr-Spannung an der Fotodiode
#(durchaus bis +/- 5..25..30V, mehr würde ich mir nicht trauen, Zehner
Effekt)
T-NETZWERK
=
Kombination aus Verstärkung und Strom-Gegenkopplung
Hier eine Variante mit einer
Spannungsteilung der Rückkopplung = Verstärkungseinstellung
Das verstärkt das Signal am Ausgang gleich mit. Vor Verstärkung =
R1/R2
bei TIA Gegenkopplung
RfT 47K und Cf parallel <
1nF ist die Grenzfrequenz schon ungefähr 1 KHz
Diese Maßnahme soll die kapazitive Belastung des OP reduzieren
und gleichzeitig verstärken.
Ebenfalls wird die Bandbreite reduziert, was die Schwingneigung
zusätzlich reduziert.
Umgezeichnet sieht das so aus: ( ohne Brücke zum Kondensator , also
ohne Bandbreitenfilter durch Intergation)
Bewährt hat sich für den Anfang eine Verstärkung von 5 etwa
R1=10K, R2= 2K2 ~ 5,5 Fach Gegenkopplung im I-U Wandler.
CF 1pF bis < 33pF..1nF = 1KHz Grenzfrequenz,
Kombination aus Verstärkung und Strom-Gegenkopplung
RfT = Stromgegenkopplung ~10..47k
R1/R2 = Verstärkung --> größer 5..10 ist ein gutes Verhältnis
10/1K
Vf= ~1pF bis ~470pf 1nF = 1,5KHz Grenzfrequenz ( Aufpassen )
Anmerkung:
bei Betrieb des OP mit 2 9V Battetrien sollte ein Schutz für die
Monobatterie Situation eingefügt werden
Dioden in Sperrr Richtung:
Bootstrap Methode
( Eigenblut Behandlung )
WARUM?:
Eine
Fotodiode in Standard TIA Schaltung, direkt an Masse, erzeugt
erhebliche Schaltspikes
(Überschwinger)
Versuch --> Dioden an
Masse erzeugt An-Schwingen der Dioden.
Signifikant: Die Fotodiode schießt GEGEN das
Signal einen gegenphasigen Einschwingpuls (Ladungsträger Abbau)
Dieser führt offenbar zu
einem anstoßen einer Oszillation
des TIA ( Transimpedanz Verstärkers )
Folge: Gegenphasige Nadel bei Steilflankiger Signaländerung ( Fourier Oberwellen )
Ursache:-->interne
Kapazität = wie ein Dioden RC
Glied
Hier Extrembeispiel (
Diode Gegen Masse.ohne
Vorspannung und riesiger Diodenkapazität D=1cm)
(Hier Grosse 1cm^2 Diode)
Hamatatsu 2386-5K Fotodiode:
( 3mm^2 Diode )
feiner aufgelöst
Was tun?
Wir erkenne das Problem: Die kleine 3x3mm Hamatatsu
2386-5K Fotodiode hat eine große interne Kapazität.
Dazu: ~starke Typen Streuung. Erst bei Abdunklung sieht man die hohe
interne
Kapazität bis 1,5nF,
weitere Sperrschicht Streuung ~gemessen 625mv..660mV
Nach vielen Versuchen, Varianten, Testschaltungen etc:
Neue Erkenntnis: Bootstraping (Signal Mitkopplung) an
der
Fotodiode
Man kann es Eigenblut
Therapie
nennen.
Bootstrapping erhöht z.B. in der Analogtechnik normalerweise die
virtuelle Eingangsimpedanz eines Verstärkers
(keine Spannungsänderung an
der Diode =
quasi Eigenblut-Signal Konditionierung)
Der Test obiger Schaltung verlief erfolgreich !!
WIRKUNG: Es verbesserte das Signal signifikant, Die
Pegeländerungsschwinger waren weg 10.12.21
Offenbar schießt der Bootstrap
OP/Transistor einen
Kompensationsstrom an die Diode.
NACHTEIL: bzw systembedingt: Keine Sperr Vorspannung möglich, weil
Differenz Anode/Kathode = 0V
Aber Vorsicht- Diese einfache Bootstrap
Schaltung erhöht (bei mir)
leider das Grundrauschen
am TIA Ausgang erheblich.
(10mV!!) Warum? ist mir noch nicht klar. Evtl. durch das sehr schnelle
Regelverhalten der phasengleichen Rückkopplung.
siehe genau hin. Die waagerechten Signal sind verrauscht.
hier nach ordentlicher Verstärkung
Schirmung wird mitgezogen=
Kompensation der Kabelkapazität
aus: https://cold-forging.top/bootstrap-diode-capacitance-and-cable-capacitance-free-from-transimpedance-design-issues/
Wenn eine große parasitäre Kapazität verwendet wird oder eine
Lichterfassung durch eine Fotodiode in größerer Entfernung
implementiert wird, hat der Verstärkereingang eine größere
Eingangskapazität.
Diese Erhöhung der Kapazität
erhöht die Rauschverstärkung der Schaltung, es sei denn, Sie
erhöhen die Rückkopplungskapazität des Verstärkers.
Wenn die Rückkopplungskapazität (CF) zunimmt, nimmt die Bandbreite der
Schaltung ab.
Um dieses Problem zu lösen, können Sie eine Bootstrap-Schaltung
verwenden (siehe Abbildung 1).
Fotodioden mit geringerer Diodenkapazität profitieren nicht von
dieser Schaltung.
Der Einheitsverstärkungspuffer A2 entfernt die Kabelkapazität und die
parasitäre Kapazität der Fotodiode, die durch den Eingang des
Transimpedanzverstärkers A1 erzeugt werden.
(Abbildung 1)
Hier der Einsatz zur kompensation der Kabelkapazität
Bei der Ausführung dieses Schaltungsdesigns kann die Wahl des
A2-Verstärkertyps etwas gelockert werden.
Nur vier Leistungsangaben sind wichtig.
Zu diesen Konstruktionsprinzipien gehört die Wahl eines Verstärkers mit
niedriger Eingangskapazität, geringem Rauschen, einer höheren
Bandbreite als A1 und niedriger Ausgangsimpedanz.
Bei diesem Design ist die Eingangskapazität von A2 die Kapazität, die
eine Rolle bei der AC-Übertragungsfunktion des Transimpedanzsystems
spielt.
Die Puffereingangskapazität ersetzt die Summe der A1-Eingangskapazität,
der Kabelkapazität und der parasitären Kapazität der Fotodiode.
Ein besseres Prinzip ist CA2 << (CA1 CCA CPD), wobei CA1 und CA2
die Summe der Eingangsdifferenz- und Gleichtaktkapazität sind.
Mit diesem Design können Sie eine Art von Rauschproblem (A1) gegen eine
andere (A2) austauschen.
Der Unity-Gain-Puffer eliminiert den Rauscheffekt von A1. Ein besseres
Prinzip besteht darin, A2-Rauschen zu erzeugen
#Rauschen_Gegenmaßnahmen
Ich habe aber ein gutes Gegenmittel
gefunden:
C-R Glied vom Bootstrap OP an den
Gegenpol der Photodiode:
Die Spikes waren damit ebenso weg.
Vorteil: Die Sperr Vorspannung ist wieder möglich.
RC Differenzierglied: 1nF -->
470R --> 2,53
Mykrosekunden TAU Zeit = ~400KHz Grenzfrequenz
RC Rechner: https://elektro.turanis.de/html/tools/calc_rc_circuit.html
Werte experimentell ermittelt. Da muss ich mir noch Gedanken machen,
wie das zu berechnen ist.
Siehe #Bootstrap_Methode
Mit Bootstrap nach obiger Methode: 
Die Idee wurde angeregt durch https://antwortenhier.me/q/bootstrapped-transimpedance-amplifier-tia-hochfrequenzinstabilitaet-62523667198
https://i.stack.imgur.com/fGlnA.png
NEUE EXPERIMENTE
Schwingt leider munter
besser
EXPERIMENTE
FotoDiodeAnMasse
Kathode_ueber_1K_an Masse 
MERKE: NUR EIN WIDERSTAND an
der KATHODE GEGEN MASSE, WAR SCHON EIN DEUTLICHE VERBESSERUNG !
FotoDiode_1K_zum Bootsrap:
FotoDiodeBootStrap_1nF1K
FotoDiode_Ueber_1K_an_Plus_Bootstrap_via_1nF
FET Transistor anstelle OP
AMP:
FET BF245 etc ist ein Source Follower: Leider etwas wenig Kathoden Vorspannung ( 500mV ) aber ein
sauberes
Signal !!
So werde ich es in Zukunft machen!
FET_Bootstrap_wie_Schematic_BF245
SEHR GUTES ERGEBNIS
+/-9V Versorgung,
Spannung an Kathode/Source = Plus 500mV, ~Anode/GateSpannung = 0V, Drain war +9V, RBias = 4K7 an -8V
aus: https://www.mikrocontroller.net/topic/452486
LINK
https://www.digikey.de/de/articles/how-to-design-stable-transimpedance-amplifiers-automotive-medical-systems
Ersatzschaltbild der
realen physikalischen Situation der Photodiode im TIA
laut: https://www.digikey.de/de/articles/how-to-design-stable-transimpedance-amplifiers-automotive-medical-systems
Bootstrap Schaltung = fast keine Spannungsänderung an der Fotodiode
= keine kapazitive Einflussnahme auf Frequenzgang der Diodenkapazität
= Impedanzerhöhung
Wirkung: OP zieht Anodenspannung der Kathode nach = K(l)eine
Spannungsänderung an der Diode
Bootstraping leitet das
Ausgangssignal an den Eingang zurück = Mitkopplung:
1. Das erhöht die virtuelle Abschlussimpedanz des Verstärkereinganges.
2. Die MIT-Kopplung führt zu einer Mitführung der Potentiale:
Folge:
(fast) Keine Spannungsänderung an der
Signalquelle -->
Damit auch keine Auswirkung der Diodenkapazität
= Eliminierung der
Anschluss Kapazität wegen Eliminierung der Spannungsänderung an der
Fotodiode.
Testaufbau: Bootstrap an der Anode
Signal mit Bootstrap
Ausgang des TIA mit Bootstrap
Ein hervorragendes Ergebnis
!!
keine Spikes mehr
Aber
Vorsicht- direktes Bootstrap
erhöht das Grundrauschen
erheblich. (10mV!!)
Bootstrap (Eigenblut) macht NOISE
!
Ich habe aber ein gutes
Gegenmittel
gefunden:
Differenzierung mit C-R_Glied.., Die Spikes waren damit ebenfalls weg.
Die
Sperr Vorspannung ist wieder möglich.
Dimensionierung bedarf
der experimentellen Ermittlung
Rauschen Gegenmaßnahme:
Experimente:
Ohne Vorspannung, starke spikes Bildung
mit Vorspannung +5V an Kathode über
470R, Bedingung C= 1nF
( Kein
100R war
zu klein, 470R war schon gut ,
10K wieder Piks, 1K scheint schon gaz brauchbar Rauschen
~<2mV
1,8nF, 4K7 kleine Piks, dafür wieder >=2mV Rauschen
1nF mit 1K = 2mV Rauschen, keine Piks. Letzlich 470R genommen
....angeregt durch: https://antwortenhier.me/q/bootstrapped-transimpedance-amplifier-tia-hochfrequenzinstabilitaet
Schon sehr viel besser geworden
Mit FET Bootstrap aus https://www.electronicdesign.com/technologies/analog/article/21806128/matched-jfets-improve-photodiode-amplifier
Schaltung Stand 30.08.22.
Erfahrungungsbericht:
Problem:
Gegenphasiges Einschwingen der Fotodiode:
Unten, Lichtsignal zur
Fotodiode
Oben., TIA Ausgang mit "sehr
große, daher kapazitiver" Diode mit Gegenpol an Masse.
1. Versuch --> Dioden an
Masse erzeugt An-Schwingen der Dioden.
Signifikant: Die Fotodiode schießt GEGEN das
Signal einen gegenphasigen Einschwingpuls ( Ladungsträger Abbau )
Dieser führt zu einer
Oszillation des TIA ( Transimpedanz Verstärkers )
Große Fotodiodenkapazität ohne Vorspannung
Fododiode einfach gegen Masse.
Man sieht , dass es eine starke Schwingneigung gibt
Hier mit extrem großer und damit kapazitiv belasteter Fotodiode
Folge: Gegenphasige Nadel beim
Puls
Ursache:
" vermutliche" Interne Diodenkapazität
TESTANLAGE:
2 Kanalig. Extrem grosse
Fotodioden mit LED Blitzern. Rechteckansteuerung
1.
üblicher Lösungsansatz:
Eine Sperr Vorspannung hilft schon mal, beseitigt aber die
Anschwingspitze nicht(ganz).
Am besten, Vorspannung
NIEDEROHMIG anlegen (0R).
Zudem mit großen C-->
100pf...1nF, über den TIA Widerstand ~50k...1M Ohm ( Grenzfrequenz
~1KHz )
extreme Spikes: 10..47K
Vorwiderstand an der
Sperrspannung !!
10K
TIAWiderstand ohne C und Sperrspannung
2. Versuch
10K TIA mit C~1nF Widerstand
im Sperrspannung
1K TIA mit C~1nF Widerstand im
Sperrspannung
Gegenmaßnahme:
1.
Anlegen einer Sperrspannung ( Reduzierung der internen Kapazität )
2. Zusätzlich > 470nF direkt an der
Photodiode an der Sperrspannung
3. Experimente haben eine Serien
INDUKTIVITÄT zur Photodiode eine Signalverbesserug gezeigt
( allerdings erst am werten im mH Bereich )
Fotodiode mit 15VVorspannung,
470nF an der Vorspannung Kondensator
gegen Masse,
Induktivität 3.4mH
400nF über den TIA Widerstand von im
Test 10K mit T-Netzwerk Verstärkung von Vu= 10 ( 10K/1K)
Hier steigende Flanke alleinig vergrößert die Anstiegs flanke
Zeitskala= 10uS
nach https://www.osapublishing.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-27-3-2125&id=404281
PDF dazu: oe-27-3-2125.pdf
Weitere Quellen:
Bootstrap mit FET
Wirkung: FET zieht Anodenspannung der Kathode nach
= keine Spannungsänderung an der Diode = Kapazität der Diode hat
weniger Einfluss auf das Frequenzverhalten.
aus https://www.electronicdesign.com/technologies/analog/article/21806128/matched-jfets-improve-photodiode-amplifier
FET Q18 = Konstantstrom ~10mA?
Mit Hilfe von Potentiometern können o Sie jede noch so kleine
Offset-Spannung an der Fotodiode ausgleichen. Dadurch wird jeglicher
Dunkelstromfehler vollständig eliminiert.
Die vorgeschlagene Schaltung wird aufgrund von Widerstandstoleranzen
immer noch variable, wenn auch kleine Gleichstromfehler aufweisen.
Um die Spannung an der Kathode der Fotodiode auf wenige Mikrovolt zu
bringen, können Sie die Schaltung mit Potentiometern einstellen (Abb.
6),
ein weiterer Vorschlag von Kirkwood Rough. Wurcer schlug vor, dass ein
Operationsverstärker mit niedrigem Offset den Bias-Punkt auf einige
Mikrovolt einstellen könnte. Paul Grohe von Texas Instruments wies
darauf hin, dass selbst Labornetzteile unseren Schaltungen eine Menge
Rauschen hinzufügen.
FotoAMP_frontends.pdf
Siehe Hobbs_Cascode_Figure_18.12 (1)
(C)
Christof Ermer, Regensburg