Operationsverstarker kaskadieren?

Moin!

Stehe gerade vor dem Problem, daß ich einen hochverstärkenden, schnellen Transimpedanzverstärker für eine Fotodiode brauche:

- Die Fotodiode hat im vorgespannten Zustand ca. 15pF (geht nicht anders, brauche die Fläche).

- Der Verstärker braucht 100kOhm für 100µA -> 10V (=fullscale).

- Ich möchte DC bis deutlich mehr als 10MHz rausbekommen.

- Ich möchte deutlich weniger als 1/1000 fullscale als DC-Offset, also 100nA am Eingang bzw. 10mV am Ausgang.

- Ich brauche keinen super platten Frequenzgang und auch keine hohe Linearität.

Okay, beginnen wir mit der Grundschaltung:

100k ___ .---|___|--. | | -Uv PD | |\ | o--->|---o---|-\ | | >---o--->

.---|+/ | |/ | | === GND

Das schöne daran ist, daß die Eingangs-Offsetspannung nur 1:1 auf den Ausgang übertragen wird. Damit genügt ein hochohmiger, schneller Opamp mit passabler Offsetspannung, und die gibt es freundlicherweise (zumindest als Samples).

AD8067 FastFET? GBP:540MHz V_os:1mV I_bias:25pA I_offs:1pA (jeweils Maximalwerte soweit gegeben)

Die Picoamperes sind viel kleiner als 100µA/1000 und die 1mV, die 1:1 auf den Ausgang übertragen werden, sind viel kleiner die 10V/1000. Schön. Leider sagt Hobbs in

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daß mein Verstärker (incl Realitätsfaktor) wohl in etwa bei

sqrt( GBP/2 * 1 / (2 pi C_PD R) = 5,3 MHz

landen wird. Da fehlt also noch ein bissl. Nun gut, dann verringern wir doch einfach den Widerstand auf 10k, und schon sind wir bei 16MHz. Den Faktor 10, den wir in der Verstärkung verlieren, müssen wir natürlich wieder aufholen:

10k 10k ___ ___ .---|___|--. .---|___|--. | | | | | | | |\ | -Uv PD | |\ | o---|-\ | o--->|---o---|-\ | | | >---o--->

| >---o----)---|+/ .---|+/ | |/ | |/ .-. | | | | | |1k | '-' | | === === GND GND

Was mich daran stört: Ich verstärke nun auch den DC-Offset des ersten Verstärkers um den Faktor 10, damit wären wir dann schon bei 10mV, also so hoch wie ich maximal verkraften könnte, ohne Reserve. Nun dachte ich mir, wie wärs denn damit, anstatt beide Verstärker für sich zu komensieren, einfach über alles zurückzukoppeln:

___ .---|___|--------------. | 10k | | 100k ___ | | .---|___|--o | | | | | |\ | -Uv PD | |\ o---|-\ | o--->|---o---|-\ | | >---o--->

| >----)---|+/ .---|+/ | |/ | |/ .-. | | | | | |1k | '-' | | === === GND GND

Ich hab in Williams' "High Speed Amplifier Techniques" gesucht, ich hab Mancinis "Op Amps for everyone" durchgeblättert, aber ich hab nichts derartiges gefunden, außer mit ein paar Kondensatoren als Oszillatorschaltung. Daher die Frage:

Könnte das funktionieren, oder würde ich damit bloß einen Oszillator bauen? Wäre es sinnvoll, die Verstärkung der zweiten Stufe noch zu erhöhen? Oder sollte ich evtl eine Mischung aus der letzten und der vorletzten Schaltung mit unterschiedlichen Rückkopplungen für DC und HF vorsehen? Also in etwa soetwas:

GND === | --- 100k --- 10C 1k ___ | ___ .---|___|----o--------|___|--. | | | 10k C 10k | | ___ || ___ | o---|___|--. .-||--|___|--o | | | || | | | | |\ | -Uv PD | |\ | o-----|-\ | o-->|---o---|-\ | | | >---o--->

| >---o----)-----|+/ .---|+/ | |/ | |/ .-. | | | | | |1k | '-' | | === === GND GND

Damit hätten die einzelnen Stufen einen definierten HF-Gain wie in der zweiten Schaltung und die zweite Stufe einen "unendlichen" DC-Gain wie in der dritten Schaltung, der widerum "über alles" rückgekoppelt wird und damit den offset klein hält. Dafür muss ich hier wohl über die Phasenverschiebungen noch die eine oder andere Nacht schlafen. Übergabefrequenz kann ja im unteren kHz-Bereich liegen und wie gesagt machen mir kleine Schlenker im Frequenzband nicht viel aus.

Bin für jede Idee dankbar!

Gruß, Michael.

Alle Schaltpläne: (created by AACircuit v1.28 beta 10/06/04

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Michael Eggert
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Selten praktikabel. Man kann AC und DC in getrennten Verstärkern verarbeiten. Oder gleich zwei Fotodioden mit getrennten Verstärkern versehen. Eventuell kann man beide Signale am Ende wieder summieren. Für AC-Verstärker mit sehr niederiger Grenzfrequenz kann man über Servoschleife an der Fotodiode per steuerbarer Stromquelle passenden Strom einspeisen der Offset/Drift des Verstärkers auf Null regelt. "Offset/Drift" kann z.B. auch durch den Leckstrom der Fotodiode kommen. Bei großflächiger Fotodiode braucht man reichlich Spannung um die Kapazität runterzubekommen, hat also entsprechenden Leckstrom. Der ist kein DC-"Licht".

Ohne einen Kerko über den 100k der die Kapazität der Fotodiode kompensiert schwingt das oft.

Fragen zu Fotodioden-Verstärkern tauchen ja öfter in dieser newsgroup auf. Immer wird die OP-Schaltung dann präsentiert in der Hoffnung AD & BurrBrown würden für 10 EUR das passende knowhow liefern. Meist hört man von den Fragestellern nach einigen ( wohl fruchtlosen ) Experimenten nichtsmehr. Kuckt man sich dann die Schaltungen realisierter fiber-optic Empfänger usw. an, fallen diskrete Transistoren raus, je mehr je höher die Anforderungen. Bei einfachen Anwendungen wird auch schon mal mit Nortons gewurstelt.

MfG JRD

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Rafael Deliano

Hi!

Hab ich auch schon drüber nachgedacht, würde mit allerdings gerne den Auswand sparen. 2 Stück MSA (für die 60dB) und 2 Opamps (1x Trans- impedanz, 1x Inverter) sind eben mehr als nur die beiden Opamps. :-) Vor allem da die MSA bis viele GHz laufen, das macht den Aufbau schon etwas komplizierter.

Das müsste ich dann auf jeden Fall.

Den hab ich jetzt nicht verstanden.

2nA unter Vorspannung, also unkritisch.

Stimmt, hab ich beim Zeichnen weggelassen. Mich wundert allerdings, daß ich die andere Alternative, Serienwiderstand zur Photodiode, in keiner AN erwähnt gesehen habe...

Ich weiß - und oft antworte ich ja auch mit drauf :-)

Oft genügt die Schaltung ja auch.

Zumindest einen Teil davon, nämlich bezüglich Linearität (in Beschaltung), Kompensation des größten Teils der Temperaturdrift etc liefern sie ja in jedem kleinen Käfer mit. Das ist zwar noch kein ganzer Empfänger, aber immerhin die halbe Miete. :-)

Muss nicht daran liegen, von vielen hatte man auch vorher nichts gehört.

Das ist klar, schließlich gehts um zig GHz und vor allem nur um SNR, SNR und um SNR. Dahingegen sind Linearität und Offset, sowie langsames Driften völlig uninteressant (die nachfolgende Schaltung passt ihre Schwelle zwischen high und low sowieso an).

Nur auf meine Anforderungen passt das schlecht, wie will ich bei einzelnen Transistoren Temperaturdriften kompensieren? Und jetzt sag nicht zusammenkleben! :-)

Current Mode (Op)Amp. Sind mir in den letzten Tagen öfters mal begegnet, hab mich aber noch nicht damit beschäftigt. Werd ich nachher mal tun...

Gruß, Michael.

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Michael Eggert

Michael Eggert wrote: ...

Und was spricht gegen den "Cascode Transimpedance amplifier" aus dem Artikel?

Bye

--
Uwe Bonnes                bon@elektron.ikp.physik.tu-darmstadt.de

Institut fuer Kernphysik  Schlossgartenstrasse 9  64289 Darmstadt
--------- Tel. 06151 162516 -------- Fax. 06151 164321 ----------
Reply to
Uwe Bonnes

Hallo Michael,

Literaturtip: Jerald Graeme, Photodiode Amplifiers, ISBN 0-07-024247-X

Ich weiss nicht ob du die Lösung für dein konkretes Problem darin finden wirst, aber zumindest beschäftigt sich das ganze Buch mit diesem Thema.

Gruss Michael

Reply to
Michael Koch

Hallo Michael,

von BB, jetzt TI gibt es auch etliche Applikationen dazu:

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Noch ein Gedanke dazu: ein gerader Frequenzgang und ein Filter passend=20 zur ben=F6tigten Bandbreite kann das Rauschen minimieren.

Gruss

Bernd Mayer

--=20 Schr=F6der, Zypries, Schmidt - weg damit!

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Bernd Mayer

Hallo Michael,

von BB, jetzt TI gibt es auch etliche Applikationen dazu:

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Noch ein Gedanke dazu: ein gerader Frequenzgang und ein Filter passend zur ben=F6tigten Bandbreite kann das Rauschen minimieren.

Gruss

Bernd Mayer

--=20 Schr=F6der, Zypries, Schmidt - weg damit!

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Bernd Mayer

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