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Messtechnik Die Stabilität in Sensorapplikationen verbessern

Autor: Kristin Rinortner

Warum bei Messaufgaben eine Stromrückkopplung mit CFB-Verstärker (CFB: Current-Feed-back) Vorteile bezüglich Stabilität und Glättung von Schaltspannungsspitzen bietet.

Bild 1: Ersatzschaltbild der Fotodiode und des TIAs
Bild 1: Ersatzschaltbild der Fotodiode und des TIAs
(Bild 1: Ersatzschaltbild der Fotodiode und des TIAs)

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 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 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 ID, die Diodenkapazität und Diodenimpedanz CD und RD (RD liegt je nach Diodentyp im Bereich von 100 MΩ) und die Kapazität CIN. 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 RF eine Polstelle im Rückkoppelzweig, die ein Anstieg des Rauschens ab einer Frequenz von Fp = 1/2π RF(CD+CIN) verursacht und zu Oszillationen und Instabilität führt.

 Gleichung 2 Gleichung 2

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

 

 Bild 2: Eine Current-Feed-back-Topologie bringt entscheidende Vorteile bezüglich Stabilität und Glättung von Schaltspannungsspitzen 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 RF 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 Ro am invertierenden Eingang eines CFBs wird der erzeugten Polstelle mit einem Faktor aus Ro und RF 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 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 Fp = 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 (Fp liegt bei 57,5 MHz, siehe Gleichung 3).

 Gleichung 4 Gleichung 4

Darüber hinaus können sehr viel kleinere Kompensationskapazitätswerte für CF 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.

Der Autor: Albert Fischer arbeitet bei Texas Instruments.

Über den Autor

 Kristin Rinortner

Kristin Rinortner

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