Photodiode sensor circuit

[bertp1]

Ben een photodiode sensor circuit aan het maken, als toepassing zou ik een 500lx PWM-lichtsignaal willen meten, up to ~100kHz.

Dit is het circuit (Transimpedance Amplifier (TIA)) dat ik zou willen gebruiken:


Na de TIA zet ik er nog een anti-aliasing (low-pass) filter en een ADC op.

Gezien de IV-curve van een photodiode gaat deze photodiode bij afwezigheid van licht een quasi onbestaande ofset current hebben, en bij 500lx een stroom in de grootteorde van -50uA genereren (datasheet). Dit zou respectievelijk 0V en 3.3V (=50uA*66.5kOhm) genereren.

Wat ik nu niet snap (en waarvan ik geen fatsoenlijke uitleg kan vinden), is waarom de opamp tevens een negatieve voedingspanning nodig heeft (en V- dus niet gewoon aan GND kan gehangen worden). Iemand die dit kan verhelderen?

[ Voor 4% gewijzigd door bertp1 op 14-02-2016 02:19 ]

[MdBruin]

De uitleg daarvoor is redelijk eenvoudig.
Je kunt een opamp op verschillende manieren aansluiten.
Je hebt een inverterende (-) en niet-inventerende ingang (+).
Een regel is dat de opamp altijd zal proberen om beide ingangen op een gelijk spannings niveau te houden.
In jou geval zit de + ingang aan de massa waardoor je bij de - ingang een zogenoemd virtueel massa punt krijgt.

Wat gebeurt er dus.
Je diode genereert bij de door jouw genoemde 3,3V. Om te kunnen voldoen aan de eis dat er geen spannings verschil op de ingang mag staan zal de opamp dus een negatieve uitgang moeten hebben om de positieve spanning te kunnen compenseren naar 0V.

Om de negatieve spanning er uit te kunnen krijgen zal deze natuurlijk wel op de opamp moeten staan. Bij een massa als V- zal de schakeling dus niet werken.

[memphis]

Dan speelt er nog iets....

De ingang van vele opamps bevatten transistoren met ook de bekende drempelspanning. Veel opamps zijn daardoor niet geschik te gebruiken op enkele voltages bij lage input spanningen.

Zie het schema van een LM741:



Een symetrische voedingspanning of een offset spanning is nodig om die ingangstransistoren in hun werkgebied te zetten.

Maar zo zijn er ook FET opamps en opamps met een PNP transistor aan de ingangen welke wel beter met lagere input spanningen kunnen werken.

[Raven]

Onderstaande vroeg ik mij laatst ook af, bedankt voor de uitleg

bertp1 schreef op zondag 14 februari 2016 @ 01:51:
Wat ik nu niet snap (en waarvan ik geen fatsoenlijke uitleg kan vinden), is waarom de opamp tevens een negatieve voedingspanning nodig heeft (en V- dus niet gewoon aan GND kan gehangen worden). Iemand die dit kan verhelderen?

Nu komt er alleen een vraag bij, denk dat bertp1 die mogelijk ook gaat stellen(?): Hoe kom je aan een negatieve voedingsspanning als je alleen maar standaard V+/GND voedingen en LM317's hebt liggen? Heb al wel iets gelezen over virtual grounds

maar hoe je daar een opamp aan hangt is mij nog niet duidelijk, de virtuele ground in het middem bedoel ik dan (die als referentie dient?. Al kan dat door het gebrek aan cafeïne komen

[ Voor 3% gewijzigd door Raven op 14-02-2016 11:31 ]

[WK100]

Raven schreef op zondag 14 februari 2016 @ 11:29:
[...]
[afbeelding]

En dan komt nu mijn vraagje erbij: Die condensatoren die hierop zitten zijn puur voor stabiliteit, of zeg ik dat verkeerd? Ik begrijp wel dat die weerstanden een voltage-divider instelling hebben.

[memphis]

Als je de virtuele gnd ook echt als gnd wilt gebruiken voor signaalsturing zal een paar weerstanden met condensatoren niet werken. Inderdaad zorgen de condensatoren iets meet stabiliteit.

Andere optie is met een opamp:



Maar uiteindelijk is een symetrische voeding beter.

De 2 deelweerstanden worden meer gebruikt om een offset te genereren: Het betekent dat je het aangeboden signaal ook op dat niveau moet brengen wat veelal geen probleem is.

[MdBruin]

Het wordt een virtuele ground genoemd omdat op dat punt 0V staat. Als referentie wordt deze zover ik weet bijna nooit gebruikt, tenminste niet anders als nu het geval is.

Wil je een symmetrische voeding maken, kan relatief makkelijk. Pak 2 positieve voedingen en verbind deze in serie. De min pool die over blijft is je negatieve voeding en de plus je positieve. Het knooppunt van de voedingen is de 0V.

De notities en waarschuwingen hiervan.
Sluit de voedingen NIET op randaarde aan anders krijg je kortsluiting.
Over de uitgangen van de voeding een flinke diode anti parallel zetten om de voedingen te beschermen tegen negatieve spanning.

[memphis]

En je kunt binnen een schakeling ook aan zoiets denken:
https://www.conrad.nl/nl/...uitgangen-2-x-140759.html

Gescheiden laag vermogen voeding met een enkele ingangspanning en een symetrische uitgangspanning.

[bertp1]

Bedankt allen. Maar als ik het goed begrijp zou het schema moeten werken?

De negatieve input zit op virtuele grond (0V), de stroom vloeit in de kathode (dus van rechts naar links), dus dit zou toch geen probleem mogen geven?
In geval er geen licht is, zal er geen stroom vleien en bijgevolg Vout 0V zijn. Indien er 500lx is, zal de stroom 50uA bedragen en Vout = I*Rf = 50uA * 66.5kOhm = 3.3V. Daartussen zal Vout lineair afnemen.

Als ik het goed begrijp, zou deze topologie bij de meeste opamps problemen geven. Bovenstaande (AD8066) is echter een rail-to-rail opamp, dus die heeft dan geen problemen om 0V aan de Vout te zetten?

[MdBruin]

Zolang je symmetrisch voed kan de uitgang zonder problemen 0V zijn.
Zodra je D1 een positieve spanning afgeeft zal de uitgang negatief worden.
Bij een negatieve ingang wordt deze positief. Om de schakeling dus correct te laten werken zal je symmetrisch moeten voeden.

Een rail to rail opamp kan dichtbij de voedingsspanning komen, een normale heeft de spannings val van de interne transistoren waardoor er niet in de buurt van de voedingsspanning kan worden gekomen (zie hiervoor de datasheet). Bij een rail to rail opamp wordt dit gecompenseerd waardoor de spannings val kleiner wordt. Zie hiervoor bijvoorbeeld de YouTube film van EEVBlog over opamp basics.

[ Voor 42% gewijzigd door MdBruin op 14-02-2016 19:00 ]

[bertp1]

MdBruin schreef op zondag 14 februari 2016 @ 18:53:
Zolang je symmetrisch voed kan de uitgang zonder problemen 0V zijn.
Zodra je D1 een positieve spanning afgeeft zal de uitgang negatief worden.
Bij een negatieve ingang wordt deze positief. Om de schakeling dus correct te laten werken zal je symmetrisch moeten voeden.

Ik ben mee met opamp basics. Enkel niet met deze specifieke TIA toepassingen.
Als ik het goed heb, genereert een photodiode geen voltage, maar een (lineaire) stroom. Dus enkel bij transities zal er dan een voltage gegenereerd worden (door op- en ontladen van de capaciteiten) aan de negatieve input. De input van de photodiode is een PWM lichtsignaal. Gezien de stroom altijd in de kathode loopt zal het voltage aan de uitgang bovendien altijd hoger moeten zijn dan aan de negatieve input?

Ik ben echter voornamelijk geïntereseerd in de DC karakteristiek, aangezien ik een analoog-naar-digitaal conversie wil doen. Bovendien wil ik helemaal geen negatieve output voltage, dus indien de uitgang dan clipt op 0V is dat toch ok?

[ Voor 6% gewijzigd door bertp1 op 14-02-2016 20:03 ]

[AllesKan]

bertp1 schreef op zondag 14 februari 2016 @ 19:58:
Bovendien wil ik helemaal geen negatieve output voltage, dus indien de uitgang dan clipt op 0V is dat toch ok?

Dat is ok, maar dan moet de OpAmp dat wel kunnen. En zo te lezen kan hij dat, zie blz 7 van deze datasheet:

OUTPUT CHARACTERISTICS
Output Voltage Swing
RLoad = 1 kΩ
Min: 0.1 to 4.85V
Typical: 0.03 to 4.95 V

[memphis]

Anders zet je er weer een opamp achter met een inverterende functie.

[MdBruin]

bertp1 schreef op zondag 14 februari 2016 @ 19:58:
[...]
Als ik het goed heb, genereert een photodiode geen voltage, maar een (lineaire) stroom.

Dit is technisch niet mogelijk. Een elektronen stroom heeft altijd spanning nodig. Maar een spanning heeft weer geen elektronen stroom nodig.
Je zal op een manier een spannings verschil op de ingangen moeten krijgen om de opamp zijn werk te laten doen. Een regel bij het berekenen is de opamp als ideaal te beschouwen en te zeggen er loopt geen stroom in of uit de ingangen. Met andere woorden met stroom alleen kan je de opamp niet laten werken.

Welke fotodiode wil je gaan gebruiken? Staat helaas niet in je schema vermeld.

[memphis]

Ben een photodiode sensor circuit aan het maken, als toepassing zou ik een 500lx PWM-lichtsignaal willen meten, up to ~100kHz.

Gezien je een PWM signaal wilt meten, is dan een simpele comperatorschakeling niet beter?

[bertp1]

MdBruin schreef op zondag 14 februari 2016 @ 23:24:
[...]


Dit is technisch niet mogelijk. Een elektronen stroom heeft altijd spanning nodig. Maar een spanning heeft weer geen elektronen stroom nodig.
Je zal op een manier een spannings verschil op de ingangen moeten krijgen om de opamp zijn werk te laten doen. Een regel bij het berekenen is de opamp als ideaal te beschouwen en te zeggen er loopt geen stroom in of uit de ingangen. Met andere woorden met stroom alleen kan je de opamp niet laten werken.

Welke fotodiode wil je gaan gebruiken? Staat helaas niet in je schema vermeld.

uiteraard, mij fout uitgedrukt.

BPX61

memphis schreef op maandag 15 februari 2016 @ 07:29:
[...]
Gezien je een PWM signaal wilt meten, is dan een simpele comperatorschakeling niet beter?

Het gaat om 4 PWM-signalen op verschillende frequenties.

[Sissors]

Als ik het goed heb gaat de stroom door een photodiode met 0 bias er reverse doorheen (en anders draai je hem om in de schakeling). Dus de output spanning van de opamp moet positief zijn om werkzaam te blijven, en dus moet het werken. Het is wel zo dat als je echt een reverse bias aanbrengt de diode sneller is. Of dat nodig is durf ik niet direct te zeggen, het hangt ook van de snelheid van je opamp af, en ik ben te lui om die op te zoeken.

Overigens je wil liever pas de comparator na deze TIA, photodiodes hebben een flinke capaciteit, en door hem een laagimpedante schakeling te laten zien heb je daar weinig last van. Als je hem direct op een comparator aansluit wel.

[vanThijs]

Je zou ook de volgende schakeling kunnen proberen: (extract uit de LTC1050 datasheet (p13))




Hiermee omzeil je het dubbele powersupply-probleem.

[AllesKan]

Er is helemaal geen 'dubbele powersupply-probleem', volgens de datasheet kan de OpAmp gewoon zijn werk doen met een single powersupply.

[memphis]

AllesKan schreef op maandag 15 februari 2016 @ 10:00:
Er is helemaal geen 'dubbele powersupply-probleem', volgens de datasheet kan de OpAmp gewoon zijn werk doen met een single powersupply.

Alle opamps kunnen prima op een enkele voltage maar helaas met de eigenschap van deze schakeling niet gezien het signaal aan de inverterende ingang positief veranderd en dus de uitgang negaief veranderd. (hetgeen al eerder opgemerkt)

[jomas]

memphis schreef op maandag 15 februari 2016 @ 12:11:
[...]


Alle opamps kunnen prima op een enkele voltage maar helaas met de eigenschap van deze schakeling niet gezien het signaal aan de inverterende ingang positief veranderd en dus de uitgang negaief veranderd. (hetgeen al eerder opgemerkt)

Nee hoor,

De diode levert een negatieve stroom om dit te compenseren zal de uitgang van de opamp positief worden. Met als resultaat dat uiteindelijk de spanning over de diode 0 Volt blijft.

Om deze schakeling goed te laten werken op een enkele spanning zijn 2 dingen belangrijk. De output moet rail-to-rail zijn EN de Input Common-Mode Voltage Range moet tot ground (0V) gaan.

De ad8066 voldoet zoals je in de datasheet kan zien niet aan het 2e criterium en kan daardoor niet met een enkele voedingsspanning gebruikt worden. De hiervoor genoemde LTC1050 voldoet wel aan beide en kan dus met een enkele voeding gebruikt worden.

[ Voor 8% gewijzigd door jomas op 15-02-2016 18:20 ]

[bertp1]

jomas schreef op maandag 15 februari 2016 @ 17:49:
[...]


Nee hoor,

De diode levert een negatieve stroom om dit te compenseren zal de uitgang van de opamp positief worden. Met als resultaat dat uiteindelijk de spanning over de diode 0 Volt blijft.

Om deze schakeling goed te laten werken op een enkele spanning zijn 2 dingen belangrijk. De output moet rail-to-rail zijn EN de Input Common-Mode Voltage Range moet tot ground (0V) gaan.

De ad8066 voldoet zoals je in de datasheet kan zien niet aan het 2e criterium en kan daardoor niet met een enkele voedingsspanning gebruikt worden. De hiervoor genoemde LTC1050 voldoet wel aan beide en kan dus met een enkele voeding gebruikt worden.

Als ik goed gelezen heb (single supply 5V):

Input Common-Mode Voltage Range
FET Input Range
0 to 1.7 V (min)
0 to 2.4 V (typ)

Dan gaat ie toch tot 0V?

Verder, indien dit toch niet zou kloppen: indien de photodiode ten allen tijde een stroom != 0 trekt (maw er is steeds voldeonde licht aanwezig), zal het circuit dan nog steeds niet werken?

[ Voor 13% gewijzigd door bertp1 op 17-02-2016 01:03 ]

[bertp1]

memphis schreef op zondag 14 februari 2016 @ 12:30:
En je kunt binnen een schakeling ook aan zoiets denken:
https://www.conrad.nl/nl/...uitgangen-2-x-140759.html

Gescheiden laag vermogen voeding met een enkele ingangspanning en een symetrische uitgangspanning.

Geeft zoiets niet veel te veel rommel op je power supply vanwege switched design?

[jomas]

bertp1 schreef op woensdag 17 februari 2016 @ 00:51:
[...]


Als ik goed gelezen heb (single supply 5V):

[...]

Dan gaat ie toch tot 0V?

Verder, indien dit toch niet zou kloppen: indien de photodiode ten allen tijde een stroom != 0 trekt (maw er is steeds voldeonde licht aanwezig), zal het circuit dan nog steeds niet werken?

Vaak wordt dat common mode bereik gegeven ten opzichte van de voedingspinnen b.v. -Vs+1.5 Volt en +Vs-2V. Ik ging er (onterecht) vanuit dat dit hier ook het geval is.

Conclusie is dus dat jouw schakeling in principe wel zal werken want in het stukje "Theorie of operation" in de datasheet staat inderdaad dat de ingang bij single supply tot 0 V werkzaam is.

[bertp1]

De schakeling werkt gewoon (moest iemand hier ooit nog iets aan hebben).

Bedankt voor de hulp iedereen.