Photodioden transformieren eine grundlegende physikalische Erscheinung (Licht) in elektrische Form (Strom). Elektronische Bauelemente wandeln den Strom des Photodetektors in eine nutzbare Spannung um, wodurch die Veränderungen des Signals der Photodiode beherrschbar werden. Es gibt eine Reihe verschiedener Herangehensweisen an die Probleme bei lichtempfindlichen Schaltungen. Ein Leser fragte nach einer Schaltung, mittels derer die Bandbreite und die Auswirkungen des Rauschens der Photodiode von außen oder mit einer parasitären Kapazität reduziert werden konnten.

Die klassische Schaltung eines lichtempfindlichen Systems besteht aus einer Photodiode, einem Operationsverstärker und einem Paar aus Rückkopplungswiderstand und Rückkopplungskondensator am Frontend (Bild 1). Bei dieser Schaltung wird die Bandbreite durch die Photodiode, den Verstärker und die Rückkopplungskapazität beschränkt.

Bei der Lichtmessung mit einer Photodiode, die eine große parasitäre Kapazität besitzt oder die weit entfernt ist, liegt folglich eine große Kapazität über dem Eingang des Verstärkers an. Als Resultat dieser zusätzlichen Kapazität steigt die Rauschverstärkung der Schaltung, solange der Rückkopplungskondensator nicht vergrößert wird. Wenn der Rückkopplungskondensator (C_F) vergrößert wird, sinkt die Bandbreite der Schaltung.

Sie können eine Bootstrap-Schaltung verwenden, um dieses Problem zu lösen (Bild 2). Photodioden mit einer relativ geringen Diodenkapazität profitieren jedoch nicht von dieser Schaltung. Ein Spannungsfolger mit dem Verstärkungsfaktor Eins, A₂, entfernt die Leitungskapazität und damit die Parasitärkapazität der Photodiode vom Eingang des Transimpedanzverstärkers, A₁.

Bei der Entwicklung dieser Schaltung haben Sie eine relativ freie Wahl, was den Typ des Verstärkers für A₂ angeht. Dabei sind nur vier Spezifikationen wichtig. Zu diesen Entwicklungsrichtlinien zählt, dass der ausgewählte Verstärker eine geringe Eingangskapazität, ein geringes Rauschen, eine höhere Bandbreite als A₁ und eine geringe Ausgangsimpedanz aufweist.

Bei dieser Schaltung ist die Eingangskapazität von A₂ die einzige Kapazität, welche für die AC-Übertragungsfunktion des Transimpedanzsystems eine Rolle spielt. Die Eingangskapazität des Spannungsfolgers A₂ ersetzt die Summe der Eingangskapazität von A₁, der Leitungskapazität und der parasitären Kapazität der Photodiode. Als Faustregel gilt, dass C_A2 << (C_A1 + C_CA +C_PD), wobei C_A1 und C_A2 der Summe ihrer Eingangsdifferenz- und Gleichtaktkapazität entsprechen.

Bei dieser Schaltung wird jedoch ein Rauschproblem (A₁) durch ein anderes (A₂) ersetzt. Der Spannungsfolger entfernt die Rauschwirkung von A₁. Als Faustregel gelten, dass das Rauschen von A₂ <= A₁ ist.

Die Differenz zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangssignal fällt in diesem System über der Leitungs-/Diodenkapazität ab. Sie können diese Differenz niedrig halten, indem Sie A₂ mit höherer Bandbreite als A₁ wählen und die Ausgangsimpedanz von A₂ gering halten. Durch die Abnahme der Verstärkung von A₂ ergibt sich eine obere Grenze für die Bandbreitenverbesserung. Das Bandbreitenverhältnis zwischen den Verstärkern ist A_2-BW >> A_1-BW. Diese Schaltung erfordert eine Optimierung der Stabilität, indem Sie C_F an die Eingangskapazität von A₂ angleichen.

Bonnie C. Baker, Texas Instruments

Literatur

[1] Baker, B.: „The eyes of the electronic world are watching“, EDN, 7. Aug.(2008)

[2] Baker, B.: „Transimpedance-amplifier stability is dye“, EDN, 4. Sept. (2008)

[3] Graeme, J.: Photodiode Amplifier, McGraw-Hill, ISBN 0-07-024247-X

[4] Kurz, D., Cohen, A.: „Bootstrapping Reduces Amplifier Input Capacitance“,  EDN, 20. März (1978)