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Verstärkerschaltungen für Photodioden mit WEBENCH entwickeln

| Redakteur: Kristin Rinortner

Photodioden-Verstäker: Schaltung mit Webench Amplifier Desiner Schritt für Schritt entwerfen und simulieren.
Photodioden-Verstäker: Schaltung mit Webench Amplifier Desiner Schritt für Schritt entwerfen und simulieren. (Bild: TI)

WEBENCH ist ein hilfreiches Online-Werkzeug für die Schaltungsentwicklung. In diesem Beitrag zeigen wir Schritt für Schritt, wie Sie mit dem WEBENCH Amplifier Designer Verstärkerschaltungen für Photodioden entwickeln.

Photodioden messen die Art und die Intensität von Lichtwellen. Dabei wandelt eine Halbleiterdiode Lichtstrahlung in Elektron-Loch-Paare und damit in einen sich zeitlich verändernden Strom, der proportional zum Lichteinfall ist. Dieses Prinzip ist umfassend erforscht. Die Herausforderung für den Entwickler besteht darin, die von der Photodiode kommenden geringen Ströme in eine nutzbare Spannung zu transferieren.

Auf dem Markt werden viele analoge Frontends für unterschiedliche Anwendungen angeboten. Bei den in Bild 1 gezeigten klassischen Schaltungstopologien handelt es sich um diskrete Lösungen mit einem Operationsverstärker, deren Gegenkoppelpfad aus einem parallel geschalteten Widerstand und Kondensators besteht. Der Widerstand liefert ein lineares Abbild der Lichtquelle, während der Kondensator zur Stabilisierung des Ausgangssignals dient.

Schaltungstopologien für Photodioden-Verstärker ergänzen jetzt auch den WEBENCH Amplifier Designer. Ebenso wie bei den Vorgängerversionen benötigt der automatisierte Entwurf einer Verstärkerschaltung für Photodioden feste Vorgaben und lässt gewisse Spielräumen für individuelle Kompromisse. Die Werkzeuge zeigen, welche Operationsverstärker und externen Bauelemente sich am besten für die eigene Schaltung eignen.

Topologien von Verstärkerschaltungen für Photodioden

In Bild 1 sind die drei Standard-Topologien für eine Photodioden-Verstärkerschaltung wiedergegeben: ohne Vorspannung, mit negativer Vorspannung und mit positiver Vorspannung.

In der Variante ohne Vorspannung (Bild 1a) ist die Anode der Photodiode mit dem nicht-invertierenden Eingang IN+ des Operationsverstärkers verbunden, die Kathode dagegen mit dem invertierenden Eingang IN-. Somit liegt an der Photodiode theoretisch eine Vorspannung von Null an, da die Spannung an der Anode nahezu gleich der Spannung an der Kathode ist.

Trifft Licht auf die Photodiode, fließt von der Kathode zur Anode der Photodiodenstrom IPD, der mit zunehmender Lichtstärke steigt, wodurch wiederum die Ausgangsspannung UOUT des Verstärkers ansteigt.

In der Topologie mit negativer Versorgungsspannung (Bild 1b) ist die Anode der Photodiode mit der negativen Vorspannung (UBIAS) verbunden, die Kathode dagegen mit dem invertierenden Eingang IN- des Verstärkers. Folglich liegt an der Photodiode eine negative Vorspannung (von der Anode zur Kathode) an, die dafür sorgt, dass die Sperrschichtkapazität der Photodiode abnimmt.

Auch hier gilt, dass durch das Auftreffen von Licht auf die Photodiode der Photodiodenstrom IPD von der Kathode zur Anode fließt, der hier ebenfalls mit zunehmender Lichtstärke ansteigt und damit zu einer höheren Ausgangsspannung UOUT des Verstärkers führt.

In der Schaltungsvariante mit positiver Vorspannung (Bild 1c) ist die Anode der Photodiode an den invertierenden Eingang IN- des Verstärkers angeschlossen, während die Kathode an der positiven Vorspannung (UBIAS) liegt. An der Photodiode liegt deshalb eine positive Vorspannung (von der Anode zur Kathode) an.

Die Vorspannung verringert die Sperrschichtkapazität, und beim Auftreffen von Licht auf die Photodiode fließt auch hier ein Photodiodenstrom IPD von der Kathode zur Anode, der mit zunehmender Lichtstärke größer wird. In diesem Fall hat dies eine Abnahme der Spannung am Verstärkerausgang zur Folge.

Tabelle 1 fasst die Funktionsweise dieser drei im Amplifier Designer verwendeten Schaltungstopologien zusammen.

Den besten Verstärker finden. Eine Anleitung Schritt für Schritt

Letztendlich geht es darum, aus mehr als 1400 Produkten den besten Operationsverstärker für die Photodioden-Verstärkerschaltung zu finden. Die von Texas Instruments angebotenen Verstärkerbausteine offerieren zahllose Varianten hinsichtlich der elektrischen Leistungsfähigkeit und den spezifischen Eigenschaften.

Zu den wichtigsten Eckdaten gehören der Versorgungsspannungsbereich, die Bandbreite, die Grenzen des Eingangs- und Ausgangsbereichs, der eingangsseitige Bias-Strom und die Offsetspannung. Neben diesen festen Vorgaben gibt es bei den meisten Auswahlprozessen eine Reihe sich überschneidender Aspekte, zu denen der statische Ausgangsfehler, das Rauschen, die Leistung und/oder der Preis des ICs zählen.

Im ersten Schritt geht es um das Finden von Verstärkern, die sich grundsätzlich für die Schaltung eignen. Hierzu werden die AC- und DC-Daten der Schaltung ermittelt. Bild 2 zeigt den Beginn der Auswahl.

Im Fenster „Requirements“ (Anforderungen) (Bild 2) sind die folgenden Felder auszufüllen:

  • Gewünschte Versorgungsspannungen,
  • Gewünschte Eingangs- und Ausgangsspannung,
  • Vorgaben: Spitzenwerte oder Bandbreite,
  • Kleinsignal-Spezifikationen und Spitzenwerte,
  • Parameter der Photodiode.

Zunächst werden die Versorgungsspannungen für die unipolare oder bipolare Versorgungsspannung aus der Liste ausgewählt. Für eine bipolare Versorgungsspannung finden sich im Dropdown-Menü die Einträge ±1,5 V, ±1,65 V, ±2,5 V, ±5 V, ±6 V, ±12 V und ±15 V. Wird die Single-Supply-Option bevorzugt, bietet das Dropdown-Menü die Wahlmöglichkeiten +3,3 V, +5 V, +10 V und +12 V.

Vorgaben: Konstante Spitzenwerte oder Bandbreite

Der Amplifier Designer nutzt die Kleinsignal-Bandbreite bzw. die Anstiegs- und Abfallzeit des Transimpedanz-Verstärkers (TIA) in Verbindung mit Angaben zur Phasenreserve bzw. Überschwingern, um geeignete Verstärker auszuwählen. Aus den angebotenen Verstärkern erfolgt die Auswahl gemäß Bild 3 so, dass Phasenreserve und Überschwinger als Konstante vorgegeben sind (Target Peaking) oder die Kleinsignal-Bandbreite bzw. die Anstiegs- und Abfallzeit als Konstante gewählt werden (Target Bandwidth).

Wird „Target Peaking“ gewählt, bleibt die eingegebene Phasenreserve relativ konstant, und die Bandbreite der Photodioden-Verstärkerschaltung ist gleich oder größer als die eingegebene TIA-Bandbreite.

Wird dagegen „Target Bandwidth“ gewählt, bleibt die Kleinsignal-Bandbreite des TIA nah an der eingegebenen TIA-Bandbreite, während die Phasenreserve gleich oder größer als der vorgegebene Wert ist.

Kleinsignal-Spezifikation und Spitzenwerte

Die in den Bildern 4 und 5 gezeigten Menüoptionen erlauben die Eingabe der Kleinsignal-Spezifikation und der Spitzenwerte.

Die Eingaben in den Kästen für die Kleinsignal-Spezifikationen (Bild 4) legen die minimale Signalbandbreite der Photodioden-Verstärkerschaltung fest.

Wie in Bild 4a gezeigt, kann hier die gewünschte Kleinsignal-Bandbreite des TIA angegeben werden, die (in erster Näherung) die Signalbandbreite der Photodioden-Verstärkerschaltung darstellt.

Bild 4b zeigt alternativ die Eingabe der Anstiegs- und Abfallzeit anstelle der TIA-Bandbreite.

Wird das Menü zwischen Kleinsignal-Bandbreite und Anstiegs- und Abfallzeit gewechselt, ändern sich die angezeigten Werte gemäß den folgenden Gleichungen:

Kleinsignal-Bandbreite = 1 / (2π × Rf × Cf)

Kleinsignal-Bandbreite = 0,35 / Anstiegs- und Abfallzeit

Anstiegs- und Abfallzeit = 0,35 / Kleinsignal-Bandbreite

Die Angabe von Spitzenwerten (Bild 5) legt die Phasenreserve bzw. das Überschwingen des Photodioden-Verstärkers fest.

Wie in Bild 5a zu sehen ist, kann man vorgeben, dass sich die Phasenreserve nach dem Prozentsatz des Überschwingens richtet. Als Alternative kann wie in Bild 5b gezeigt das Überschwingen angegeben werden.

Phasenreserve und Überschwingen des TIA stehen in umgekehrter Beziehung zueinander. Die Phasenreserve (in Grad) ist als der Schnittpunkt zwischen den Kurven der Rauschverstärkung- und der Leerlaufverstärkung des Verstärkers definiert.

Mit abnehmender Phasenreserve nimmt der Prozentsatz des Überschwingens zu. Die Werte für Phasenreserve und Überschwingen werden aneinander angepasst.

Spezifikationen der Photodiode

Bild 6 zeigt sechs Menübereiche, in denen die Kennwerte der Photodiode eingegeben werden können. Das erste Menü dient dazu, die Verstärkertopologie anzugeben, und im zweiten werden die Parasitics der Photodiode spezifiziert. Ganz unten befindet sich schließlich ein Bereich, in dem sich Details zu externen Werten eingeben lassen, die Einfluss auf die Photodiode haben.

Dann müssen in die Felder „Capacitance“ (Cpd) und „Shunt Resistor“ (Rsh) die Parasitics der Photodiode eingetragen werden.

Bei Photodioden gibt es eine von der Vorspannung abhängige, parasitäre Sperrschichtkapazität entlang der Verarmungszone. Diese hier als Cpd bezeichnete Kapazität wird umso geringer, je höher die an der Anode und Kathode der Photodiode liegende Vorspannung UBIAS ist, da sich die Verarmungszone unter dem Einfluss dieser Spannung verkleinert. Indem Sie auf „Create Amplifier Design“ klicken, gelangen Sie zum nächsten Menü.

Auswahl der Operationsverstärker mit dem Visualizer

Beim Wechsel von der in Bild 2 gezeigten Ansicht zur Darstellung in Bild 7 bestimmt das Designtool die Werte für Rf und Cf. Bei Bild 7 handelt es sich um einen Screenshot des Amplifier Design Visualizers. Oben links sind die eingegebenen Designkriterien zusammengefasst, und auf der rechten Seite ist die „Optimizer“-Box zu sehen, in der die Prioritäten ausgewählt werden können.

In der Optimizer-Box gibt es drei Dropdown-Menüs mit den folgenden Optionen für die Prioritäten der Schaltung: Rauschen, DC-Fehler am Ausgang, TIA-Bandbreite, Anstiegsgeschwindigkeit, Stromaufnahme und Kosten. Sind drei Prioritäten ausgewählt, erscheinen in der untenstehenden Tabelle „Solutions“ nur noch die Bauelemente, die den Kriterien in der Optimizer-Box entsprechen.

Das letzte Menü befindet sich ganz rechts oben. Mit ihm lassen sich die Suchergebnisse weiter verfeinern, indem bestimmte Merkmale des Operationsverstärkers ausgewählt werden. Zur Wahl stehen hier die Gehäusebauart, die Zahl der Kanäle und die Shutdown-Eigenschaften.

Hat man im Optimizer den ausgangsseitigen DC-Fehler als wichtigstes Kriterium, die Stromaufnahme als wichtig und das Rauschen als weniger wichtig angegeben, sollte die Bausteinfamilie OPA244 ganz oben in der Liste erscheinen. Die zusammenfassende Beschreibung im folgenden Abschnitt basiert darauf, dass der OPA244 über den Button „Open Design“ ausgewählt wird.

Die Schaltung in der Zusammenfassung

Sind wie zuvor beschrieben alle Optionen ausgewählt, ist die Schaltung an dieser Stelle vollständig definiert. Bild 8 zeigt die zusammenfassende Darstellung des Amplifier Designers, in der die Machbarkeit der Schaltung getestet werden kann.

Die Menüleiste etwas unterhalb der Mitte erlaubt die Auswahl detaillierter Informationsbildschirme für die Analyse der berechneten Leistung, der Performance-Werte und der Stückliste (BOM).

Unter „Calculated Performance Analysis“ erscheinen sechs Diagramme: 1.) DC-Sweep, 2.) Sprungantwort, 3.) Aol, TIA und Rauschverstärkung, 4.) Rauschquellen, 5.) Gesamtrauschen und 6.) Verstärkungs- und Phasengang des Regelkreises.

Diese Kurven sind nicht das Ergebnis einer Simulation. Es handelt sich hier vielmehr um berechnete theoretische Funktionen, die einen groben Überblick über das Verhalten der Schaltung geben sollen, bevor Sie fortfahren.

Die Anzeige „Calculated Performance Values“ listet die Eigenschaften der Schaltung in sieben Kategorien auf:

  • 1. Designkriterien,
  • 2. Betriebsfrequenzen,
  • 3. Leistungsbedarf,
  • 4. Fehler der Eingangs-Offsetspannung und des Eingangs-Bias-Stroms ,
  • 5. Verstärkung von UOUT als Funktion der Widerstands- und Kondensatortoleranz,
  • 6. Fehler über die Temperatur,
  • 7. Gesamt-Ausgangsrauschen.

Es gibt berechnete Performance-Werte in allen diesen sieben Kategorien. Zum Beispiel gibt die letzte Kategorie „Gesamt-Ausgangsrauschen“ das HF-Rauschen, das Spannungs- und Stromrauschen des Operationsverstärkers, das effektive Gesamtrauschen, das Spitze-Spitze-Rauschen, den Signal-Rauschabstand (SNR) und die effektive Bitzahl (ENOB) an.

Klicken Sie nun auf das SIM-Icon ganz oben auf dem Bildschirm, um die TI-SPICE-Simulation zu öffnen.

Schaltungssimulation mit dem online verfügbaren TI-SPICE

Für die Simulation mit TI-SPICE kann der Amplifier Designer die komplette Schaltung exportieren. Die Simulations-Umgebung des Verstärkers (Bild 9) nutzt PSPICE-Modelle von Texas Instruments und wartet mit sechs Simulations-Optionen auf:

  • 1. Sinuswellen-Antwort,
  • 2. Frequenzantwort bei geschlossenem Regelkreis,
  • 3. Sprungantwort,
  • 4. DC-Sweep,
  • 5. Ausgangsrauschen,
  • 6. Kreisverstärkung.

Für diese Simulations-Optionen hält der Amplifier Designer auch die jeweiligen Signalquellen bereit. Bei Bedarf können Sie die Amplitude, die Frequenz oder das Timing der Signalquellen modifizieren.

Alternativ besteht die Möglichkeit, die Schaltung in die TINA-TI-Umgebung herunterzuladen. Diese Exportoption erreichen Sie durch Anklicken des Knopfes „Sim Export“ oben auf dem Bildschirm.

Fazit

WEBENCH Amplifier Designer führt automatisch die grundlegenden Aktivitäten zur Analyse- und Produktauswahl durch, die normalerweise bei jedem Entwurf von Photodioden-Schaltungen erforderlich sind, geht aber noch einen Schritt weiter. Die neue Schaltung wird umfassend evaluiert, sodass sie sich einfach in eine bestehende Schaltung einfügen lässt.

Nach Unterlagen von Texas Instruments.

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