Stromtreiber für Laserdiode

Am Wed, 20 Sep 2006 17:34:49 +0000 (UTC) schrieb Kai-Martin Knaak :

C3 Ist Teil eines Tiefpasses, er hängt gegen +, damit im Einschaltmoment keine Spannungsspitze durch den Auflöadevorgang entsteht, da die Signale ja alle auf + bezogen sind. C1/R39 sollen auch Spannungsspitzen verhindern. Laserdionden können in 1 ns an Überlastung sterben, da der Schaden durch die elektrische Feldstärke des produzierten Lichtes (EM-Welle) entstehen kann.

Hallo Kai-Martin,

Soll wohl das Control Signal filtern. Dort nur einen Elko vorzusehen, ist allerdings nicht so guenstig.

Habe ich bisher nicht gesehen. Das bildet mit R14 einen RC Tiefpass.

Das macht man heute mit Chips. Analog Devices hat einige davon. ADN2841 etc. Laserdioden, besonders aeltere "cleaved diodes", sind sehr empfindlich gegen Ueberstrom. Einige Millisekunden ueber dem Limit und die Diode ist eventuell dahin.

Nein.

Vermutlich zusammen mit C4 Kompensation des LT1028, der ist nicht der allerstabilste bei diesen Verstaerkungen. Allerdings duerfte der Effekt nach einem 10k Serienwiderstand (an sich schon suspekt) eher im Vodoobereich zu suchen sein. Eventuell wollte der Entwickler auch hochfrequente Stoerungen am Gate abblocken, obwohl ich einen Effekt sehr bezweifeln moechte.

Die Schaltung ist eine klassische Lehrbuchkonstantstromquelle, da gibts nicht viel zu zu sagen, ausser dass die gut funktioniert. Allerdings ist der LT1028 hier die verkehrte Wahl. Der hat lediglich eine geringe Rauschspannungsdichte aber relativ hohes Stromrauschen. Den LT1028 in einer Schaltung mit hoher Eingangsimpedanz zu benutzen ist ziemlich unsinnig und beruht auf dessen falsch verstandenen Ruf ein rauscharmer OP zu sein.

Gruss Klaus

Erinnert an das was man TDA2003 und Konsorten als "boucherot-cell" nachschaltete und ist eigentlich keine bevorzugte Art der Stabilisierung.

Rauschen würde durch Begrenzung der Bandbreite weniger. Leistungs-Fets in composites mit OPs machen oft Probleme mit Stabilität weil sie Eingangskapazität haben und üppige nichtlineare Verstärkung besonders bei kleinen Strömen. Wenn nur thermische Drift der Last kompensiert werden soll: kann man nicht OP nehmen der lahm ist ( TLC27L2 ) oder rauscharmen Präzisons-OP den man extern runterkompensieren kann ?

MfG JRD

Welchen OPamp schlägst du dann vor? 3kohm ist sicher etwas grenzwertig, optimal wären eher 300 Ohm. Umdimensionieren auf deutlich niederohmiger wär ja hier einfach, allein auch schon wegen des Widerstandsrauschens, welches ja hier etwa in der gleichen Grössenordnung wie das durch den Eingangsstrom verursachte liegt. Umnudeln auf low-noise FET Amps halt ich für den schlechteren Weg.

Hmm. Da kommt der nächste Punkt bei dem ich mir unsicher bin. Wie bestimme ich die Verstärkung mit der der Opamp hier arbeitet? Der MosFET macht aus einem Volt Spannungshub an der Basis etwa 4A Stromhub. Bei 50 Ohm Messwiderstand werden daraus 200V am Punkt P1. Also sollte sich die Rückkoppelstrecke wie ein Widerstand mit (10k + 5k)*200 = 3M verhalten. Mit den 10k des R49 am negativen Eingang würde ich daraus eine Verstärkung von 300 ableiten. Ist das realistisch?

Bei der Gelegenheit: Der FET MTP05P06V ist offensichtlich etwas überdimensioniert. Die meisten Singlemode-Laserdioden haben deutlich weniger als 1A Maximalstrom und da ist die Transferfunktion des Transistors noch deutlich im nichtlinearen Bereich.

Ein bisschen ungünstig scheint mir auch, dass es ein P-Kanal-FET ist. Da ist dei Auswahl ein wenig begrenzt. Sehe ich es richtig, dass man die die Schaltung mit einem N-Kanal-FET funktioniert, wenn die Eingänge des Opamps vertauscht werden?

Na das ist doch schonmal gut.

Also eher sowas wie den OP77? Bei dem ist das Stromrauschen gut eineinhalb Größenordnungen niedriger. Außerdem ist er eher eine Schnecke und bringt seine eigene Bandbreitenbegrenzung mit. Nebenbei spart er Geld :-)

Wenn ich mir im Horrowitz-Hill das Kapitel "Low-Noise Techchniques" anschaue, scheint mir der Graph 7.60 auf Seite 449 passsend zum Thema zu sein. Da wird das gesamte Rauschen von verschiedenen Opamps gegen die Eingangsipedanz aufgetragen und mit einem reinen Widerstand verglichen.

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Direkt vorschlagen will ich hier keinen, weil ich gerade weder Zeit noch Lust habe mich in Designdetails zu vertiefen. Mit Focus auf das OP Rauschen - ohne Beruecksichtigung andere Parameter

- und ohne besonders viel Nachdenken ein LT1007 zum Vergleich genommen:

LT1007 @ 1kHz: sqrt((2.5 nV/sqrt(Hz))^2 + (0.4pA/sqrt(Hz) * 6,3kOhm)^2) = 3.5nV/sqrt(Hz)

LT1028 @ 1kHz: sqrt(((0.9 nV/sqrt(Hz))^2 + (1.0pA/sqrt(Hz) * 6,3kOhm)^2) = 6.4nV/sqrt(Hz)

Also fast ein Faktor 2. Fuer eine genaue Analyse muesste man jetzt allerdings noch auf das 1/f Rauschen gucken etc.

Schon klar. Mir ging es eher wie vom OP gewuenscht um eine Beurteilung der Schaltung. Zusammen mit den etwas suspekten Kompensationsgliedern, dem ziemlich betagten MTP5P06 bekomme ich den Eindruck, dass man da eine Lehrbuchschaltung mit einem rauscharmen OP aufgepeppt hat, aber nicht wirklich das Design detailiert optimiert hat.

Gruss Klaus

Hallo Kai-Martin,

Der FET arbeitet fuer die Bestimmung der Verstaerkung naeherungsweise als Source-Folger. Nicht ideal, aber immerhin. D.h. die Spannung an R38 sollte der Gate Spannung in etwa folgen. Vorausgesetzt natuerlich, dass die Last (hier Laser Diode) den verfuegbaren Strom auch abnimmt und die DS Strecke nicht in die Saettigung geht.

Besser zuviel als zuwenig. Er muss auch ein Gehaeuse haben, dass die Verlustleistung abfuehren kann.

Laserdioden werden am liebsten nach Masse betrieben. Andernfalls muesste u.U. ein metallenes Gehaeuseteil auf 10V liegen. Dann reicht es, einmal mit dem Inbusschluessel abzurutschen... Bzzzzt.... Rumms.

Ich weiss nicht, was Du vorhast. Datenuebertragung wird i.d.R. mit n-channel gemacht. Dabei wird ein Konstantstrom aufgepraegt und dieser wird mit dem n-channel bei "Low" nach Masse abgeleitet.

Du meinst, dass der Strom direkt aus dem OP gezogen wird? Die Dioden sollten aber schon bis zu 1A bekommen. Welchen OP würde man da nehmen? In dem Leistungsbereich ist mir bisher nur L165 über den Weg gelaufen.

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Hallo Klaus,

Dabei sollte man immer bedenken, ob sich ein Design lohnt. Es gibt heute so viele Chips, die Laser Dioden treiben. Gross rauschen sollten die nicht, weil das am Ende die verfuegbare Uebertragungsstrecke verkuerzt und die Repeater-Kosten erhoehen wuerde.

Hallo Kai-Martin,

Ahem, mit der jetzigen Schaltung wird das wohl nix mit 1A. R38 hat 50ohm und da sind 1A aus 10V ums Verplatzen nicht zu bekommen.

Leistungs-Opamp: Hier rate ich ab. Zwischen Leistungsstufen und Low-Noise Stufen auf dem gleichen Chip ist nicht gut Kirschen essen. Ausserdem werden die Dinger alle Nase lang abgekuendigt. Siehe den guten alten LH0063, der das hier geschafft haette. Wenn man ihn denn noch bekaeme.

Na, ob das so rauscharm sein kann, wenn es Modulation im GHZ-Bereich zulässt? Das Datenblatt enthält vorsichtshalber gar nicht erst das Stichwort "noise". Zur Klärung: Ich meine ernsthaft wenig Rauschen, runter bis DC, so dass man für ein typisches Oszilloskop schon einen Vorverstärker braucht, um es nachzuweisen.

Jupp. Im Zweifelsfall reichen auch schon ein paar ns...

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Hallo Kai-Martin,

Muesste man herausfinden. Hohe Bandbreite bedeutet nicht immer, dass es wie ein Wasserklosett rauschen muss. Die Bandbreite muss eben an die Aufgabe angepasst werden. Ich habe hier einige Verstaerker, die bis etliche hundert MHz reichen und trotzdem nahe an die technisch moeglichen Grenzen beim Rauschen kommen. Auch in den ganzen Ultraschallgeraeten, die wir ueber die Jahre entwickelt haben, finden sich solche Stufen mit bis zu 40MHz Bandbreite. Allerdings sind sie alle diskret aufgebaut, wobei der AD603 schon recht nah dran kommt. Aber eben nicht ganz.

Welchen Frequenzbereich braucht Ihr denn? Und welche Betriebsart (AM, FM, Puls...)?

"Klaus Bahner" schrieb im Newsbeitrag news: snipped-for-privacy@ieee.org...

Hallo Klaus,

Ein 6.3kOhm Widerstand rauscht allein schon mit 10nV/sqrt(Hz). Da kann man die 3.5nV bzw 6.4nV schon fast vergessen. Am Ausgang des OPamp war doch auch noch ein 10k Widertsand. Der hat dann schon 13nV/sqrt(Hz). Somit bringen allein die Widerstände schon 15nV/sqrt(Hz).

Gruß Helmut

APEX PA02? Das ist ein ziemlich fetter Kollege :)

Nein, nur den OP in der Bandbreite begrenzen, damit er durch den Fet in der Schleife nicht instabil werden kann. Wie ja schon gesagt wurde: beim power-up und power-down ohne Überschwinger regeln. Je weniger Kondensatoren man in der Schleife hat desto übersichlicher.

Irgendwie fehlen aber die Randbedingungen:

Was macht die Diode dann für eine Spannung? 4V ? Der Laser hat doch üblicherweise eine Monitorfotodiode. Die gehört eigentlich mit in die Regelschleife, mit in die Schaltung also. Last but not least: soll der Laser nur DC vor sich hinleuchten oder soll er irgenwie moduliert werden ? Soll die Modulation zwischen Fet und Laserdiode eingeprägt werden ?

MfG JRD

Hallo Helmut,

Absolut richtig und das macht es eben umso fragwuerdiger, warum in dieser Schaltung ein teurer LT1028 werkelt. Der ist weder notwendig (da das Widerstandsrauschen bereits groesser ist) noch optimal (was ich mit dem LT1007 Beispiel demonstrieren wollte). Wenn das Designziel, wie vom OP beschrieben, eine besonders rauscharme Stromquelle gewesen sein sollte, so ist das nicht nur verfehlt worden, sondern auch noch unnoetig teuer gemacht worden - was zumindest mir die gesamte Schaltungsauslegung suspekt macht. Daher sollte man vielleicht auch nicht allzu viel Kraefte darauf verwenden zu verstehen, was das unuebliche RC Glied in der Schaltung bezwecken soll :-)

Gruss Klaus

Die 2,7pF waren vermutlich 2 an die Pins gelötete isolierte Drähte die der Entwickler soweit zusammenwickelte bis der passende Wert erreicht war daß auch die kleine Schwingung im MHz-Bereich aufhörte ...

Aber es stand ja als Warnhinweis dabei, daß die Schaltung von Uni stammt und im www gefunden wurde.

MfG JRD

Hallo Rafael,

ROFL! Das war der Hit. Gut, dass der Morgenkaffee noch nicht fertig gebrueht war. Sonst haette ich jetzt wieder Keyboard Putzen gehen muessen.