Zurück (C) Christof Ermer, Regensburg

01.07.2023
30.04.24
11.06.24


TIA = Photodioden Strom-Spannungswandler = Transimpedanz Verstärker
kurz TIA genannt.    Immer wieder von den Physikern gebraucht:
Hier mit dem Bootstrap Konzeptz ( Eigenblut Anbindung des ruhenden Potentials )
#Erfahrungsbericht
bestes Design: #FET_BOOTSTRAP
#FET_Bootstrap_mit_Konstanstrom_Stand_30.08.22
#TIA_single_channel_Bootstrap
#CHAT_GPT_FRAGE
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.

Kirkwood Rough von Upstairs Amps schlug die Verwendung eines angepassten Dual-JFET vor. Dadurch wird der Großteil der Gleichspannung über der Fotodiode entfernt (Abb. 4) . Der untere JFET ersetzt den Widerstand durch eine Stromquelle, was die Reaktion des Spannungsfolgers verbessert und ihn genauer macht.

Www Electronicdesign Com Websites Electronicdesign com Dateien Rako Jfet Fig4
4. Die Verwendung eines Dual-JFET verbessert das Bootstrapping und reduziert die Gleichspannung über der Diode. Die Kapazität über dem Quellwiderstand reduziert den Widerstandsrauschbeitrag.

Scott Wurcer , ein Fellow bei Analog Devices , schlug vor, dass durch Anpassen der Quellwiderstände der JFETs sichergestellt wird, dass die Kathode der Fotodiode sehr nahe bei 0 V liegt (Abb. 5) . Die Verwendung eines Verstärkers mit niedrigerer Offsetspannung minimiert auch jegliche Gleichspannung über der Diode. Sie können einen Kondensator über den Quellwiderstand des Bootstrap-JFETs legen, um den Rauschbeitrag dieses zusätzlichen Widerstands zu verringern.

Der Gleichstrom-Offset über der Fotodiode wird durch Anpassen der Quellwiderstände der beiden JFETs weiter reduziert.

Der Dual-JFET LSK489 hat eine bessere Steilheit als der BF862. Dies verbessert in Kombination mit der Stromquellenlast des anderen JFET das Bootstrapping, insbesondere bei höheren Frequenzen. Der Verstärker AD8610B hat ein um 2 nv/√Hz niedrigeres Spannungsrauschen, was das Wechselstromrauschen weiter reduziert. Er hat einen um ein Siebtel geringeren Vorspannungsstrom, was den Gleichstromausgangsfehler reduziert. Außerdem hat er den halben Offsetfehler des LTC6244.


Simulation ohne Konstantromquelle 
Beachte die Spannung über der Diode


Simulation mit Konstantromquelle 
ist 80mV Sperrspannung über der Diode


Vollausbau Simulation


TIA single channel Bootstrap








FotoAMP_frontends.pdf 
Siehe  Hobbs_Cascode_Figure_18.12 (1)


CHAT GPT FRAGE:
Wie würdest du ein Bootstraping bei bei einem Transimpedanzverstärker an der Fotodiode realisieren

Antwort:

Bootstrap-Schaltungen werden oft verwendet, um die Eingangsimpedanz eines Verstärkers zu erhöhen, was in verschiedenen Anwendungen nützlich sein kann, einschließlich Transimpedanzverstärkern (TIA) mit Fotodioden. In einem TIA wird das Bootstraping verwendet, um die parasitäre Kapazität der Fotodiode zu reduzieren, was die Bandbreite des Verstärkers verbessern kann.

Hier ist eine Möglichkeit, wie man eine Bootstrap-Schaltung in einem Transimpedanzverstärker mit einer Fotodiode realisieren könnte:

1. Grundlegendes Transimpedanzverstärker-Design
Ein Transimpedanzverstärker wandelt den Photostrom der Fotodiode in eine Spannung V out um.
Ein typisches TIA-Design verwendet einen Operationsverstärker (Op-Amp) mit der Fotodiode am invertierenden Eingang im Rückkopplungszweig.

2. Bootstraping-Konzept
Das Ziel des Bootstraping ist es, die Spannung an der parasitären Kapazität der Fotodiode so zu verändern, dass deren Wirkung minimiert wird. Dies wird erreicht, indem man die Spannung an beiden Seiten der Kapazität gleich hält, wodurch der effektive Kapazitätswert reduziert wird.

3. Realisierung der Bootstrap-Schaltung
Hier ist eine mögliche Schaltung:

Fotodiode und TIA-Schaltung:

Die Fotodiode wird mit ihrer Kathode an den invertierenden Eingang des Op-Amps und ihrer Anode an Masse angeschlossen.
Ein Rückkopplungswiderstan  wird zwischen den invertierenden Eingang und den Ausgang des Op-Amps geschaltet.
Bootstrap-Schaltung:

Verwenden Sie einen weiteren Operationsverstärker, der als Spannungsfolger konfiguriert ist. Der nicht-invertierende Eingang des zweiten Op-Amps wird an den invertierenden Eingang des ersten Op-Amps angeschlossen (dort wo die Fotodiode angeschlossen ist).
Der Ausgang des zweiten Op-Amps wird über einen Widerstand mit der Kathode der Fotodiode verbunden (dem gleichen Punkt, der auch mit dem invertierenden Eingang des ersten Op-Amps verbunden ist).
Schaltungsdiagramm

             +Vcc
                   |
                  ----
                   |
                  / \
                 |   |
                 |   | Rf
                 |   |
                 |   |
                   |
                   +-------------------------+
                   |                         |
                   |                         |
                  ( )                        |
                 (   ) Cd                    |
                  ( )                        |
                   |                         |
   Vout <----------+-------------------+     |
                   |                   |     |
                  ( )                 ( )   ( )
                 (   )               (   ) (   ) Rb
                  ( )                 ( )   ( )
                   |                   |     |
                 -----               ----- -----
                 ----- D1            ----- -----
                   |                   |     |
                   |                   |     |
                  ---                 ---   ---
                 -----               ----- -----
                 -----               ----- -----
                   |                   |     |
                   |                   |     |
                   +-------------------+-----+
                   |                         |
                  ( )                       ( )
                 (   ) Cd                  (   )
                  ( )                       ( )
                   |                         |
                  ---                       ---
                 -----                     -----
Erklärung
Fotodiode  Wandelt das einfallende Licht in einen Photostrom um.
Transimpedanzverstärker

 : Wandelt den Photostrom in eine Spannung um.
Bootstrap-Schaltung: Der zweite Op-Amp, konfiguriert als Spannungsfolger, hält die Spannung an der Fotodiode konstant, wodurch die parasitäre Kapazität

  der Fotodiode effektiv neutralisiert wird. Der Widerstand dient zur Stabilisierung.
Durch die Verwendung des Bootstraping wird die Bandbreite des TIA erhöht, da die parasitäre Kapazität der Fotodiode effektiv reduziert wird. Dies ist besonders nützlich in Hochfrequenzanwendungen, wo die Kapazität der Fotodiode die Leistung des Systems stark beeinflussen kann.