In Anwendungen wie z.B. in Barcode-Scannern und Durchfluss-Messeinrichtungen oder zur Messung der ausgesendeten Laserpulsleistung werden meist Fotodioden als Detektoren verwendet. Sie wandeln das optische Signal in eine elektrische Messgröße um. Der durch die Diode fließende Strom repräsentiert den auf die Diode treffenden Lichtstrahl, der im Fall eines Barcode-Scanners von einer Laserdiode ausgesendet wird und über den Barcode reflektiert oder absorbiert wird.

Gleichung 1

In einer derartigen Anwendung werden so genannte Transimpedanz-Verstärker oder TIA-Verstärker (Transimpedance Amplifier) als Messwandler und Messverstärker eingesetzt, die den Diodenstrom nach Gleichung 1 in eine Messspannung umwandeln.

Bild 1: Ersatzschaltbild der Fotodiode und des Transimpedanz-Verstärkers

Das Ersatzschaltbild der Fotodiode und des TIAs ist in Bild 1 dargestellt. Es zeigt den Fotodiodenstrom I_D, die Diodenkapazität und Diodenimpedanz _CD und R_D (R_D liegt je nach Diodentyp im Bereich von 100 MΩ) und die Kapazität C_IN. Diese ist eine Kombination aus der Gleichtakt-Eingangskapazität des Operationsverstärkers und den parasitären Effekten, die durch Bauteilgehäuse und Leiterplatte verursacht werden.

Diese Kapazitäten, welche im Bereich von einigen bis 200 pF liegen können, bilden mit dem Widerstand R_F eine Polstelle im Rückkoppelzweig, die ein Anstieg des Rauschens ab einer Frequenz von F_p = 1/2π R_F(C_D+C_IN) verursacht und zu Oszillationen und Instabilität führt.

Gleichung 2

Eine einfache Kompensation kann mittels der Kapazität C_F erzielt werden, die eine Nullstelle in der Übertragungsfunktion erzeugt. Diese addiert eine zusätzliche Phasenreserve von rund 45° hinzu. Die Berechung von C_F erfolgt nach Gleichung 2.

Bild 2: Eine Current-Feed-back-Topologie bringt entscheidende Vorteile bezüglich Stabilität und Glättung von Schaltspannungsspitzen

Oft werden für diese Anwendungen Spannungsrückkopplungs-Verstärker (Voltage Feed-back Amplifier, VFB) eingesetzt, da diese einen niedrigen Rauschstrom am invertierenden Eingang aufweisen und die Transimpedanzverstärkung (I/V) nicht durch die Wahl des Rückkoppelwiderstands R_F eingeschränkt wird. Jedoch kann eine Stromrückkopplung (Current-Feed-back, CFB, Bild 2) entscheidende Vorteile bezüglich Stabilität und Glättung von Schaltspannungsspitzen bringen.

Vorteile hinsichtlich Stabilität und Glättung durch CFB

Aufgrund der niedrigen Eingangsimpedanz R_o am invertierenden Eingang eines CFBs wird der erzeugten Polstelle mit einem Faktor aus R_o und R_F positiv entgegengewirkt. Damit verschiebt man die kritische Polstelle in Richtung höhere Frequenzen, was die zu nutzende Signalbandbreite signifikant erhöht und die Verwendung von kleineren Kompensationskapazitäten ermöglicht.

Gleichung 3

Ein VFB-Verstärker mit einer Bandbreite von 250 MHz (LMH6654) würde bei einer Gesamtkapazität von 20 pF und einem Rückkoppelwiderstand von 600 Ω eine maximal nutzbare Signalbandbreite von 57,5 MHz erzielen (bei F_p = 13,3 MHz steigt das Rauschen an). Ein vergleichbarer CFB-Verstärker (LMH6714) mit einer Eingangsimpedanz von 180 Ω bringt eine Verbesserung der nutzbaren Signalfrequenz auf 120 MHz (F_p liegt bei 57,5 MHz, siehe Gleichung 3).

Gleichung 4

Darüber hinaus können sehr viel kleinere Kompensationskapazitätswerte für C_F verwendet werden (2,5 pF anstelle von 4,6 pF, siehe Gleichung 4). Des Weiteren kann der Eingangswiderstand in anderen Anwendungen auch dazu genutzt werden, etwaige Schaltspitzen am Eingang eines CFB-Verstärkers zu absorbieren und die Einschwingzeit zu verbessern.