Umgang mit parasitären Kapazitäten in Photodiodenschaltungen

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.

Bild 1: Klassische Schaltung eines lichtempfindlichen Systems
Bild 1: Klassische Schaltung eines lichtempfindlichen Systems

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 (CF) vergrößert wird, sinkt die Bandbreite der Schaltung.

Bild 2: Entfernung der Diodenkapazität und Leitungskapazität mittels Bootstrapping
Bild 2: Entfernung der Diodenkapazität und Leitungskapazität mittels Bootstrapping

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 CA2 << (CA1 + CCA +CPD), wobei CA1 und CA2 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 A2-BW >> A1-BW. Diese Schaltung erfordert eine Optimierung der Stabilität, indem Sie CF 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)

 

 

 

 

NI Multisim V12

Multisim ist ein leistungsfähiges Werkzeug für die Schaltungssimulation auf SPICE-Basis, das National Instruments anbietet. Die Version 12 birgt einige Neuerungen und ist bedienfreundlicher.

National Instruments (NI) hat die Multisim-Version 12.0 und spezielle Versionen für die Schaltungsentwicklung und die Elektronikausbildung vorgestellt. Die Professional Edition basiert auf SPICE und wurde im Hinblick auf Bedienfreundlichkeit optimiert. Entwickler können die Designeffizienz entsprechend ihrer Anwendungen verbessern, indem sie Fehler und Überarbeitungen des Prototyps mithilfe von Simulationswerkzeugen in Multisim verringern. Diese Werkzeuge beinhalten sowohl in der grafischen Systemdesignsoftware NI LabVIEW entwickelte, anpassbare Analysen als auch gängige SPICE-Analysen und intuitive Messgeräte. Version 12.0 bietet jetzt neue Integrationsmöglichkeiten in LabVIEW für die Regelungssimulation analoger und digitaler Systeme. Mit diesem neuartigen Designansatz können Anwender noch während der PC-basierten Simulationsphase neben Analogschaltkreisen (wie etwa für den Bereich Leistungselektronik) auch digitale, auf FPGA-basierte Steuerungslogik validieren. Die Professional Edition wurde für das Routen von Layouts und Rapid Prototyping optimiert. Dadurch ist eine übergangslose Integration in NI-Hardware möglich, so etwa den RIO-FPGA-Plattformen (rekonfigurierbare I/O) und den PXI-Plattformen für die Prototypenvalidierung.

Die Education Edition beinhaltet spezielle Funktionen für Ausbildung und Lehre und wird durch eine vollständige Hardwarelösung, Lehrbücher und Kursmaterial ergänzt. Sie unterstützt Lehrende dabei, Schüler und Studenten für das Unterrichtsthema zu begeistern und die Schaltungstheorie mithilfe eines interaktiven, praxisnahen Ansatzes bei der Untersuchung des Schaltungsverhaltens zu festigen. Dank der neuen Funktionen trägt Multisim 12.0 dazu bei, dass Schülern und Studenten nun Themenbereiche aus der Mechatronik, Leistungselektronik und Digitaltechnik besser greifbar gemacht werden und der Einsatz einer einzigen Umgebung über die gesamte technische Ausbildung hinweg möglich wird. Multisim wird aufgrund seiner interaktiven Bauteile, der simulationsgestützten Messgeräte sowie der Integration in die Hardwareplattformen NI ELVIS (NI Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite) und NI myDAQ bereits vielfach in Ausbildung und Lehre, wie z. B. an Berufs- und Technikerschulen sowie an Universitäten, eingesetzt.

Hier kann man Multisim V12 herunterladen.

NI Multisim Analog Devices Edition

Die Multisim Analog Devices Edition von National Instruments (NI) ist ein kostenloses Online-Testprogramm für elektronische Komponenten.

Sein Bauteil kann man aus rund 800 Operationsverstärkern und linearen ICs von Analog Devices auswählen und sein in Verhalten im virtuellen Versuchsaufbau mit bis zu 25 Elementen simulieren.

Zu den verfügbaren Messgeräten gehören Oszilloskope, Funktionsgeneratoren, Multimeter und Spektrumanalysatoren. In LabView erstellte Messgeräte und eigene Messdaten lassen sich ebenfalls einfügen. Simulieren kann man die Auswirkung von Toleranzkombinationen in der Fertigung, Sensitivitätsanalysen detektieren die Bauteile, deren Abweichungen den größten Einfluss ausüben.

Herunterladen kann man die Edition bei den Designtools von ADI. Das fertige Design lässt sich in NIs Ultiboard, einer Software zum Entwurf und Routing von Leiterplatten, importieren.

WEBENCH – Web basierte Entwicklungswerkzeuge für Stromversorgungen, Beleuchtungs- und Sensorsysteme

Die für den Online- und Offline-Einsatz geeigneten WEBENCH-Entwicklungswerkzeuge bietet Texas Instruments für Stromversorgungs-, Beleuchtungs- und Sensor-Applikationen an. Sie sind wichtig für einen schnellen Vergleich von Bauelementen verschiedener Anbieter.

Die Bauteile-Bibliothek umfasst mehr als 21.000 Bauelemente von 110 Herstellern. Preis- und Verfügbarkeits-Informationen werden von den TI-Distributionspartnern im Stundenrhythmus aktualisiert, damit eine präzise Budget- und Produktionsplanung möglich ist.

Entwickler haben mit den kostenlosen Werkzeugen, die auf Englisch, Russisch, Japanisch und vereinfachtem Chinesisch verfügbar sind, die Möglichkeit, in einer einzigen anwenderfreundlichen Applikation die Leistungsfähigkeit verschiedener Implementierungen mit unterschiedlichen Bauelementen diverser Anbieter zu vergleichen. Im WEBENCH-Portfolio sind enthalten:

WEBENCH LED Designer: Mit dem LED-Designer lassen sich Beleuchtungssysteme mit bis zu 60 LEDs in seriellen oder parallelen Strings mit einem Lichtstrom bis zu 100.000 lm konfigurieren. Das Visualisierungstool LED-Architect analysiert 350 der aktuellen LEDs von 12 führenden Herstellern, 30 Kühlkörper, 35 LED-Treiber und eine Bibliothek mit insgesamt 21.000 passiven Elektronikbauteilen.

WEBENCH Power Designer: Hiermit lassen sich für DC-Stromversorgungen Schaltregler und MOSFET-Controller finden. Man kann Stromversorgungen für ganze Systeme mit mehreren Verbrauchern und komplexen Versorgungs-Architekturen erarbeiten. Design und Prototyping ganzer Stromversorgungsbus-Topologien geht schnell von der Hand. Darüber hinaus lässt sich vergleichen, wie sich verschiedene Zwischenspannungs-Topologien auf Platzbedarf, Kosten und Wirkungsgrad auswirken.

WEBENCH FPGA Power Architect: Beim FPGA Power Architect kann man gängige FPGAs auswählen, deren Anforderungen in Bezug auf Rauschen, Filterung und Softstart berücksichtigt sind. Die Basis bilden etwa 130 aktuelle Bausteine von Altera und Xilinx.

WEBENCH Sensor Designer: Mit dem Sensor Designer können für optische, Druck- und Temperatursensoren Schaltungen realisiert werden. Entwickler haben die Möglichkeit, diese Lösungen auf der Basis realer Messwertaufnehmer von führenden Herstellern auf die im Rahmen des jeweiligen Budgets realistische Genauigkeit abzustimmen.

Zum WEBENCH Design Center bei ti.com

TINA SPICE – Analoge Schaltungssimulation

TINA SPICE ist ein kostenloses, analoges Entwicklungs- und Simulationstool auf SPICE-Basis von DesignSoft. Es können typische SPICE-Simulationen (AC-, DC-, Transienten- und Rauschanalyse) durchgeführt werden. TINA-TI (gemeinsam entwickelt von DesignSoft und Texas Instruments) enthält darüber hinaus zahlreiche Makromodelle von Texas Instruments sowie Modelle aktiver und passiver Komponenten.

Texas Instruments hat dieses Simulationswerkzeug aus anderen SPICE-Simulatoren eigenen Angaben zufolge deswegen ausgewählt, weil es leistungsstarke Analysemöglichkeiten mit einer einfach und intuitiv zu bedienenden Schnittstelle sowie einfacher Handhabung kombiniert.

Aktuell ist die Version TINA-TI 9.1. Diese Version des kostenlosen Softwareprogramms erreicht im Schnitt die 5-fache Simulationsgeschwindigkeit gegenüber der Version 7.0. Entwickler können damit verschiedene elementare und erweiterte analoge Schaltungen einschließlich komplexer Architekturen ohne Beschränkungen der Knoten- und Bauteilzahl entwickeln und testen sowie auf Fehler untersuchen.

Es sollen jegliche in der Branche verwendete SPICE-Modelle (PSPICE, HSPICE, IBIS) unterstützt werden. Die Modellsammlung wird ständig erweitert und auf der Homepage monatlich aktualisiert. Die Software umfasst rund 500 Bauelementmodelle und Referenzdesigns sowie ca. 130 neue Spannungsversorgungsmodelle.

TINA-TI 9.1 ist in den Sprachen Chinesisch (Lang- und Kurzzeichen), Japanisch, Russisch und Englisch erhältlich und bietet neben den SPICE üblichen Analysen umfassende Möglichkeiten zum Postprocessing, mit denen die Simulationsergebnisse den Anforderungen des Benutzers angepasst werden können. Anhand von virtuellen Signalgeneratoren und Messgeräten können Benutzer verschiedene Eingangssignale auswählen sowie Knotenspannungen und Signalformen ihrer Schaltung untersuchen.

Zum Download von TINA-TI 9.1 im WEBENCH-Design-Center von Texas Instruments.

 

Circuit Lab – Web basierter Schaltungssimulator

Über ein geschlossenes Forum lassen sich die eigenen Schaltungen mit Gleichgesinnten diskutieren. Schaltungen kann man ebenfalls mit der Community teilen.

Circuit Lab richtet sich nach Angaben der Gründer Humberto Evans und Mike Robbins (beide sind Absolventen des MIT) an Bastler, Studenten, aber auch an Elektronikentwickler, die schnell eine einfache Schaltung erstellen und drucken wollen.

Die Software läuft komplett im Browser, das bietet zwei wesentliche Vorteile: Der Simulator ist Plattform unabhängig und arbeitet somit unter Windows, Mac und Linux und ist als App auch auf dem iPhone und iPad nutzbar. Es werden darüber hinaus auch Mac-spezifische Tastaturkürzel unterstützt.

Zum Schaltungssimulator auf Circuitlab.com

 

iSim – Entwicklungswerkzeug für Power Management

iSim V4 ist die aktuelle Version des kostenlosen, Web basierten Entwicklungswerkzeugs für Power-Management-Produkte von Intersil.

Zur Vorgängerversion für integrierte FETs (V3) wurden Funktionen zur Auswahl, Simulation und Optimierung von einphasigen PWM-Controllern mit externen FETs hinzugefügt.

Der Fokus wurde auf leichte Bedienbarkeit gelegt. Anwender können Anforderungen an die Stromversorgung eingeben und das Schaltbild für die gewünschte Schaltfrequenz, Soft-Start und weitere Optionen konfigurieren. Es lässt sich ein vollständiger Prototyp erstellen, ohne Datenblätter und Anwendungsbeispiele zu durchforsten oder eine Reihe von iterativen Optimierungsschritten durchzuführen. Automatisiert können für Stromversorgungen die elektrische Leistung, Steuerschleifenstabilität und der Wirkungsgrad simuliert werden.

Darüber hinaus gibt es einen Bereich „Custom Design“, in dem spezifische Leistungsziele der Stromversorgung eingegeben werden können. Automatisch werden die entsprechenden Industriestandard-Komponentenwerte ausgewählt. Hier kann man auch Leistungs-MOSFETs selektieren, die weiter optimiert werden können, um den besten Gesamtwirkungsgrad der Stromversorgung und die geringste Sperrschichttemperatur im System zu erzielen. Das Ergebnis ist ein robustes Design und eine vollständige Stückliste von DigiKey für die Online-Bestellung.

Weitere Optionen sind:

  • Anwender können die Kompensationskomponenten modifizieren und das Werkzeug zeigt Änderungen im geschlossenen Regelkreis unmittelbar (on-the-fly) an.
  • Entwickler können Wirkungsgradkurven und Stromverteilungsverluste an den Komponenten bewerten.
  • Die Darstellung der Hauptseite des Schaltbilds fasst die Schlüsselleistungsparameter der Lösung zusammen: Wirkungsgrad, Bandbreite, Phasenbereich, Kosten und Gesamtplatzbedarf.

iSim V4 profitiert von der Auswahl an Modellen von Intersil, die mit dem Simulator SIMPLIS für die Entwicklung für Schaltnetzteile erstellt wurden. Schaltpläne können ebenfalls herunter geladen werden und auf dem Desktop-Simulator iSim.PE ablaufen, einem kostenfreien Offline-Schaltplanerfassungs- und Simulationswerkzeug.

Zum Entwicklungswerkzeug auf www.intersil.com.

ADI DiffAmpCalc – Werkzeug zur Auslegung von Verstärkern

Dieses kostenfreie Werkzeug von Analog Devices hilft bei der Auslegung von differentiellen Verstärkern. Das Entwicklungstool ist einfach zu bedienen und stellt durch ein interaktives Userinterface sicher, dass der Entwickler schnell zu Ergebnissen gelangt.

Es beinhaltet zeitoptimierte automatische Berechnungsroutinen, die Verstärkung, Abschlusswiderstände, Verlustleistung, Rauschen und Gleichtaktspannung ausgeben.

Ein eingebauter Algorithmus verhindert gängige Fehler beim Verstärkerdesign gleich bei der Eingabe. Das Tool liefert unbegrenzte „Was-wäre-wenn“-Szenarios für die Echtzeitanalyse. Verstärker, Lasten und Widerstandstoleranzen lassen sich einfach durch Klicken auswählen.

Zum Download des Entwicklungswerkzeuges bei Analog Devices.

BAM – CMS Blog