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Eingangsstufen für Photodioden

Herausforderung Lidar-Anwendungen

12. Oktober 2020, 10:09 Uhr   |  Jacob Freet

Herausforderung Lidar-Anwendungen
© Akarat Phasura - shutterstock.com

Mit Lidar, eingesetzt in Fahrerassistenzsystemen von Automobilen, können Hindernisse erkannt werden, z.B. Personen, die den Fahrweg kreuzen könnten.

Verstärkerschaltungen für Photodioden in Lidar-Systemen müssen nicht nur schnell sein, sie müssen auch einen hohen Dynamikbereich haben. Beim Schaltungsentwurf für Lidar-Anwendungen stellen Sättigung, Rauschen und Stabilität der Verstärkerschaltung den Entwickler vor eine Herausforderung.

Die Realisierung von Lidar-Systemen (Light Detection And Ranging) ist dank der Fortschritte im Bereich der Photonik und Elektronik eindeutig einfacher geworden. Dennoch hält die Empfängerschnittstelle der analogen Eingangsstufe für Entwickler noch einige Herausforderungen bereit, besonders wenn es um moderne, schnelle Schaltungen geht. Am schwierigsten sind dabei jene Probleme, die mit Parametern wie dem Dynamikbereich, dem Rauschen und der Stabilität zusammenhängen. Tatsächlich lauern bei der Entwicklung von Eingangsstufen für Photodioden zahlreiche Fallstricke, aber mit dem richtigen Fachwissen und der entsprechenden Planung lassen sich auch für anspruchsvollste Anforderungen geeignete Schaltungen finden.

In einer der gängigsten Lidar-Schaltungen dient zum Empfang des optischen Signals eine Photodiode, deren Ausgangsstrom anschließend mithilfe eines Transimpedanzverstärkers verstärkt wird. In Bild 1 ist das Blockschaltbild eines Lidar-Empfängers auf Photodioden-Basis dargestellt. Es enthält die meisten Schaltungen, auf die in diesem Aufsatz eingegangen wird.

Bild 1. Blockschaltbild einer typischen Lidar-Eingangsstufe mit Photodiode, Transimpedanzverstärker, Differenzverstärker und Analog Digital Umsetzer. Die Signalverarbeitung erfolgt in einem FPGA.
© Texas Instruments

Bild 1. Blockschaltbild einer typischen Lidar-Eingangsstufe mit Photodiode, Transimpedanzverstärker, Differenzverstärker und Analog Digital Umsetzer. Die Signalverarbeitung erfolgt in einem FPGA.

Rein theoretisch ist die Umwandlung des Stroms der Photodiode in eine Spannung recht einfach, aber dennoch bringt die Entwicklung der Schaltung des Photodioden-Verstärkers eine Reihe von Herausforderungen mit sich, und zwar insbesondere in schwierig vorhersehbaren Einsatzumgebungen wie sie beispielsweise in Automobilen vorkommen.

In diesem Aufsatz geht es um Probleme, die bei der Schaltungsentwicklung von Photodioden-Eingangsstufen auftreten und die mit dem Dynamikbereich, dem Rauschen und einigen anderen Aspekten zusammenhängen. Besonderes Augenmerk gilt dabei dem Transimpedanzverstärker.

Verstärker für die Photodiode

Bei Verstärkern für Photodioden ist das Maximieren des Dynamikbereichs oftmals eine der größten Aufgaben für die Entwickler. Einerseits müssen die Schaltungen nämlich einen möglichst großen Verstärkungsfaktor bieten, damit auch kleinste Eingangssignale von den nachfolgenden Stufen verarbeitet werden können. Andererseits muss der Verstärker am Eingang auch mit Signalen zurechtkommen, die um mehrere Größenordnungen stärker sind.

Bei Lidar-Systemen rührt diese beträchtliche Schwankungsbreite der Signalamplitude daher, dass die Abschwächung optischer Signale in Luft mit dem Quadrat der zurückgelegten Entfernung zunimmt. Eine der besten Lösungen für dieses Problem ist die Verwendung eines logarithmischen Transimpedanzverstärkers, bei dem sich die Verstärkung in logarithmischer Abhängigkeit von der Eingangsamplitude ändert. Leider werden an die Bandbreite moderner Lidar-Anwendungen jedoch so hohe Anforderungen gestellt, dass logarithmische Verstärker keine praktikable Lösung sind und stattdessen Verstärker mit linearer Charakteristik eingesetzt werden müssen.

Bild 2. Ein starkes Eingangssignal kann den Eingangsverstärker eines Lidar-Systems in die Sättigung treiben. Für die Zeitspanne in der er sich anschließend erholt ist das Lidar-System blind für andere Eingangssignale.
© Texas Instruments

Bild 2. Ein starkes Eingangssignal kann den Eingangsverstärker eines Lidar-Systems in die Sättigung treiben. Für die Zeitspanne in der er sich anschließend erholt ist das Lidar-System blind für andere Eingangssignale.

Wenn Entwickler mit Dynamikbereich-Problemen konfrontiert werden, versuchen sie möglicherweise zuerst, die Schaltung für den kleinsten zu erwartenden Eingangsstrom auszulegen, da dieser der größten messbaren Entfernung entspricht. In diesem Fall kann es aber passieren, dass der größtmögliche Eingangsstrom, der beispielsweise bei einer Reflexion bei einer Distanz von null auftritt, zu einer sehr hohen Ausgangsspannung führt, die den Transimpedanzverstärker häufig in die Sättigung treibt.

Einige Lidar-Systeme mögen eine Sättigung des Eingangsverstärkers tolerieren, aber dennoch wird der Verstärker erhebliche Zeit brauchen, bis sich sein Ausgang nach einer Sättigung regeneriert. Wie das vereinfachte Beispiel in Bild 2 deutlich macht, kann ein sehr großer Eingangsstrom die Ausgangsspannung eines Verstärkers in die Sättigung treiben, sodass er gewissermaßen für andere Eingangssignale blind ist, bis er sich wieder erholt hat.

Sättigung des Verstärkers vermeiden

Es gibt mehrere Möglichkeiten, Probleme infolge der Sättigung des Verstärkers zu lösen, und jede Methode hat ihre Vor- und Nachteile. Die folgenden Optionen stehen zur Auswahl:

  • Herabsetzung des Verstärkungsfaktors. Dies kommt häufig nicht in Betracht, weil hierdurch das kleinste messbare Eingangssignal begrenzt wird.
  • Verwendung eines Verstärkers mit einem größeren Signalhub am Ausgang. Dies funktioniert in der Theorie. Häufig ist es aber nicht möglich oder nicht praktikabel, einen Verstärker zu finden, dessen Ausgang den gesamten Dynamikbereich des Lidar-Systems abdeckt.
  • Verwendung eines Verstärkers, der sich nach einer Sättigung schnell genug erholt, um die Anforderungen des Lidar-Systems zu erfüllen. Diese Lösung kann potenziell funktionieren, solange genügend Reserven einkalkuliert werden, damit sich die Schaltung immer rechtzeitig regeneriert. Leider aber variiert die Erholzeit oftmals in Abhängigkeit von der Eingangsamplitude, der Dauer der Sättigung und anderen Faktoren. Sie ist folglich nicht einfach zu charakterisieren, und dementsprechend schwierig ist es, die richtigen Sicherheitsmargen für die vorgegebenen Regenerierungs-Spezifikationen festzulegen.
  • Verwendung eines Verstärkers mit eingangs- oder ausgangsseitiger Klemmung, um eine Sättigung zu vermeiden. Eine externe oder integrierte Klemmung kann verhindern, dass der Verstärker bei einem großen Eingangssignal in die Sättigung gerät. Es handelt sich hier um eine der gängigsten Methoden, eine Sättigung zu unterbinden. Allerdings kommen mit der Klemmschaltung zusätzliche parasitäre Elemente zu der Schaltung hinzu, was die potenzielle Leistungsfähigkeit beeinträchtigt. Durch Klemmen des Ausgangs wird überdies effektiv die Verstärkung reduziert, sodass die Schaltung ihre Fähigkeit verliert, exakte Amplitudeninformationen zu übertragen.
  • Verwendung einer Schaltung mit variabler Verstärkung, sei es durch den Einsatz mehrerer Verstärker oder durch einen einzigen Verstärker mit umschaltbarer Verstärkung. Theoretisch bietet eine Schaltung mit variabler Verstärkung die beste Lösung, weil sie eine Sättigung verhindert und dennoch exakte Amplitudeninformationen überträgt. Die Schaltung muss die Verstärkung ausreichend schnell umschalten können, um in den höheren Verstärkungsstufen eine Sättigung zu unterbinden, was in schnelleren Lidar-Systemen oft eine Herausforderung darstellt.

Eine Übersicht der Vor- und Nachteile der oben aufgeführten Optionen zur Vermeidung von Sättigungsproblemen in typischen Photodioden-Anwendungen gibt die folgende Tabelle.

MethodeVorteileNachteile
Herabsetzen der Verstärkung
  • Ausgang gerät nie in die Sättigung,
  • keine externen Bauelemente erforderlich.
  • Begrenzung des kleinsten messbaren Eingangssignals,
  • Zunahme des Rauschens.
Verwendung eines Verstärkers mit größerem Signalhub am Ausgang
  • Ausgang gerät nie in die Sättigung,
  • keine externen Bauelemente erforderlich,
  • Verstärkungsfaktor bleibt unverändert.
  • Höhere Versorgungsspannung notwendig,
  • möglicherweise gibt es keinen Verstärker, der die Anforderungen der Schaltung erfüllt.
Verwendung eines Verstärkers mit kürzerer Erholzeit
  • Keine externen Bauelemente erforderlich,
  • Verstärkungsfaktor bleibt unverändert.
  • Sättigung ist schwierig zu charakterisieren,
  • häufig nimmt der Verstärker mehr Verlustleistung auf.
Klemmung
  • Erlaubt die Verwendung beliebiger Verstärker,
  • Verstärkungsfaktor bleibt bei geringen Eingangsströmen unverändert.
  • Erfordert externe Bauelemente oder einen speziellen Baustein,
  • linearer Arbeitsbereich verringert sich.
Verwendung einer Schaltung mit variabler Verstärkung
  • Ergibt eine lineare Verstärkung über den größten Bereich.
  • Erfordert eine besondere Schaltung oder Verstärker,
  • die Verstärkung muss ausreichend schnell umgeschaltet werden, um den Anforderungen an die minimale Erholzeit gerecht zu werden.

 

Eine Betrachtung wert ist auf jeden Fall eine Schaltung, die mehrere Methoden zur Sättigungs-Vermeidung implementiert. Der Verstärker LMH32401 [1] von Texas Instruments zum Beispiel klemmt den Eingangsstrom und bietet zusätzlich verschiedene Verstärkungsmodi, um der Forderung nach einem großen Eingangsdynamikbereich nachzukommen. Dank seiner umschaltbaren Verstärkung kann der IC seine Verstärkung optimal auf die jeweils vorliegende Signalamplitude einstellen, und die eingangsseitige Klemmung stellt außerdem sicher, dass der Verstärker nicht in die Sättigung gerät, wenn die Verstärkung nicht schnell genug umgeschaltet werden kann.

Rauschen limitiert Empfindlichkeit

Ähnlich wie die Herausforderungen im Zusammenhang mit dem Dynamikbereich, kann auch das Rauschen in einer Photodiode dem kleinsten auswertbaren Eingangssignal eine Grenze setzen. Bei einer Photodiode und einem Transimpedanzverstärker sind als Rauschquellen neben dem Rauschen aus der Photodiode selbst auch das Eingangsspannungs- und das Stromrauschen des Verstärkers und das Rauschen des Gegenkopplungswiderstands einzukalkulieren. Letzteres steht in direktem Zusammenhang mit dem Widerstandswert und kann daher nicht verändert werden, ohne dass sich der Verstärkungsfaktor der Schaltung ebenfalls ändert. Das Eigenrauschen der Photodiode und des Verstärkers wird durch die verwendeten Bauelemente bestimmt und lässt sich daher nur beeinflussen, indem man zu anderen Bausteinen mit geringeren Rausch-Spezifikationen greift.

Bild 3. Je höher die Verstärkung, umso geringer ist das Gesamteingangsrauschen – besonders bei Verstärkern mit FETs im Eingang. Die Rausch-Verstärkungs-Kurven für die Operationsverstärker OPA858 und OPA855 wurden mit 10 MHz Bandbreite gemessen.
© Texas Instruments

Bild 3. Je höher die Verstärkung, umso geringer ist das Gesamteingangsrauschen – besonders bei Verstärkern mit FETs im Eingang. Die Rausch-Verstärkungs-Kurven für die Operationsverstärker OPA858 und OPA855 wurden mit 10 MHz Bandbreite gemessen.

Die Art und Weise, wie die Rauschquellen auf dem Weg zum Ausgang des Verstärkers verstärkt werden, hängt von der Schaltung ab. Allgemein gilt, dass eine Schaltung mit höherer Verstärkung ein niedriges eingangsbezogenes Gesamtrauschen ergibt. Dies trifft bei Verstärkern mit FET-Eingang mehr zu als bei Verstärkern mit bipolaren Eingangstransistoren.

Bild 3 zeigt das eingangsbezogene Rauschen als Funktion des Widerstandswerts des Gegenkopplungs-Widerstands für zwei Operationsverstärker, den OPA858 [2] mit FET-Eingang und den OPA855 [3] mit bipolaren Transistoren im Eingang.

Bei Transimpedanzverstärkern wird das eingangsbezogene Gesamtrauschen üblicherweise als effektive Stromstärke in ARMS (Root Mean Square) angegeben. Sie gibt das Gesamtrauschen am Ausgang, dividiert durch die Verstärkung der Schaltung wieder. Diese Darstellungsweise ist für Entwickler hilfreich, weil sich hierdurch der kleinste messbare Effektivstrom am Eingang bestimmen lässt.

Selbstverständlich kann das Gesamtrauschen einer Schaltung auch reduziert werden, indem ihre Bandbreite verringert wird, was entweder durch Verwendung eines Filters oder durch Verwendung eines Verstärkers mit geringerer Bandbreite erfolgen kann. Filtern ist allerdings nicht immer praktikabel – besonders in Anwendungen, die Signalpulse verarbeiten sollen und eine große Bandbreite erfordern.

Typisch Photodioden

Ein potenzielles Problem für Schaltungsentwickler, das speziell mit den Eigenheiten von Photodioden zu tun hat, ist der Umgang der Schaltung mit dem Dunkelstrom und dem von Fremdlicht hervorgerufenen Strom. Der Dunkelstrom gibt an, welchen Leckstrom die Photodiode bei absoluter Dunkelheit erzeugt, wogegen der Fremdlichtstrom durch nicht mit dem Signal zusammenhängende Lichtquellen erzeugt wird. Beide Parameter lassen sich durch die Wahl der Photodiode beeinflussen.

Der Dunkelstrom hängt vom Tap der Diode, ihrer Größe und ihrer Vorspannung ab. Die Wahl von Photodioden, deren spektraler Arbeitsbereich weiter vom sichtbaren Teil des Spektrums entfernt ist und die bessere optische Filter haben, dämmen die Störung durch Fremdlicht ein.

Es ist jedoch nicht immer praktikabel oder möglich, sämtliche Quellen unerwünschter Photodiodenströme zu eliminieren. Entwickler müssen deshalb entweder entsprechende Reserven für die erwartete Höhe dieser Ströme einkalkulieren oder einen speziellen IC wie den LMH32401 verwenden, der eine Schaltung zur Fremdlicht- und Dunkelstrom-Kompensation enthält.

Stabilität der Verstärkerschaltung

Zu den Herausforderungen, die sich beim Entwurf moderner, schneller Photodiodenschaltungen immer wieder einstellen, gehört das Risiko der Instabilität. Das Verhalten des Verstärkers ohne Gegenkopplung, seine Eingangskapazität, der Gegenkopplungswiderstand und die Gegenkopplungskapazität beeinflussen alle die Stabilität des Transimpedanzverstärkers.

Viele Rechensoftware und Simulatoren können Hilfestellung beim Überprüfen der Stabilität leisten. Diese Hilfsmittel lassen aber häufig die parasitären Effekte von Leiterplatten und Bauelementen unberücksichtigt, die sich auf die Schaltung auswirken. Bei langsameren Schaltungen sind diese parasitären Einflüsse weniger ein Problem, weil die parasitären Induktivitäten und Kapazitäten so gering sind, dass sie in der Bandbreite der Schaltung keine Probleme hervorrufen.

In schnellen Transimpedanzverstärkerschaltungen aber kommen oft kleinere Bauelemente, z.B der Gegenkopplungskondensator, zum Einsatz, die durch unerwünschte Kapazitäten und Induktivitäten auf der Leiterplatte oder sogar durch parasitäre Kondensatoren und Induktivitäten in den diskreten Widerständen und Kondensatoren, erheblich verändert werden können.

Abhilfe gegen parasitäre Einflüsse

Um die parasitären Einflüsse einzudämmen, werden am besten Bauelemente ausgewählt, deren Gehäuse eigens dafür ausgelegt sind, diese Herausforderungen zu bewältigen. Zum Beispiel haben ICs wie der OPA855, der OPA858 und der OPA859 [4] von TI einen separaten Rückkopplungsausgang mit einem unbeschalteten Pin, um die parasitäre Kapazität entlang des Gegenkopplungsnetzwerks zu verringern.

Noch besser ist es, die ICs als ungehäuste Chips zu beziehen, damit die Verbindungen direkt an den Chip gebondet werden können, um so den Großteil der parasitären Einflüsse der Leiterplatte komplett zu eliminieren. Module mit Chips (Die) zu bestücken, hat allerdings den Nachteil, dass sie spezielle Fertigungsprozesse voraussetzen, um einen Bare-Die korrekt zu befestigen und zu bonden.

Schließlich kann auch nach einem IC mit integrierter Verstärkungseinstellung gesucht werden, sodass keine parasitären Elemente eines Gegenkopplungsnetzwerks auf der Leiterplatte zum Tragen kommen. Lediglich die parasitären Effekte von der Eingangsleiterbahn zur Photodiode müssen dann beachtet werden. Bausteine wie der OPA857 [5] und der LMH32401 von Texas Instruments sind Beispiele für spezielle Transimpedanzverstärker mit integrierten Gegenkopplungsnetzwerken. Als Nachteil dieser Bauelemente ist zu erwähnen, dass sie weniger Flexibilität beim Festlegen der Verstärkungsfaktoren bieten.

Bild 4. Diese Layout-Richtlinien für den Operationsverstärker OPA855 sind allgemeingültig. Sie lassen sich auf beliebige Leiterplatten für schnelle Verstärker übertragen.
© Texas Instruments

Bild 4. Diese Layout-Richtlinien für den Operationsverstärker OPA855 sind allgemeingültig. Sie lassen sich auf beliebige Leiterplatten für schnelle Verstärker übertragen.

Ganz gleich, für welche Art von Baustein sich ein Entwickler für seine Schaltung entscheidet, ist es stets am besten, die Länge der Leiterbahnen zu minimieren und die für HF-Leiterplatten geltenden Layout-Richtlinien zu beachten, um etwaige negative Effekte zu minimieren. Die in Bild 4 gezeigten Layout-Vorgaben beziehen sich zwar auf den schnellen Operationsverstärker OPA855, lassen sich aber auf das Leiterplatten-Layout für andere schnelle Verstärker übertragen.

Eingangschaltungen für Photodioden zu entwerfen kann anspruchsvoll sein, besonders wenn es um moderne Anwendungen mit schnellen Verstärkern geht. Ungeachtet der vielen möglichen Fallstricke beim Schaltungsentwurf ist es mit den nötigen Kenntnissen und korrekter Planung aber oftmals möglich, Lösungen selbst für die schwierigsten Anforderungen zu finden.

Generell sollten sich Schaltungsentwickler für einen Baustein entscheiden, der den Schaltungsentwurf möglichst einfach macht, z.B. durch integrierte Elemente oder Schutzfunktionen.

Gibt es keine speziellen Bauelemente, stellt ein herkömmlicher Operationsverstärker oft die beste Lösung dar, solange beim Entwurf der Schaltung sorgfältig gearbeitet wird.
Neben den in diesem Aufsatz angesprochenen Problemen können sich beim Schaltungsentwurf natürlich noch weitere Schwierigkeiten ergeben. Wird jedoch korrekt geplant und werden potenzielle Probleme einkalkuliert, sind Entwickler beim Entwurf von Eingangsstufen für Photodioden auf dem richtigen Weg.

Literatur

[1] LMH32401 450-MHz, Programmable Gain, Differential Output Transimpedance Amplifier. Texas Instruments, Datenblatt, Juni 2020, www.ti.com/lit/ds/symlink/lmh32401.pdf.

[2] OPA858 5.5-GHz Gain Bandwidth Product, Gain of 7 V/V Stable, FET Input Amplifier. Texas Instruments, Datenblatt, Juli 2018, www.ti.com/lit/ds/symlink/opa858.pdf.

[3] OPA855 8-GHz Gain Bandwidth Product, Gain of 7-V/V Stable, Bipolar Input Amplifier. Texas Instruments, Datenblatt, Oktober 2018, www.ti.com/lit/ds/symlink/opa855.pdf.

[4] OPA859 1.8 GHz Unity-Gain Bandwidth, 3.3-nV/√Hz, FET Input Amplifier. Texas Instruments, Datenblatt, September 2018, www.ti.com/lit/ds/symlink/opa859.pdf.

[5] OPA857 Ultralow-Noise, Wideband, Selectable-Feedback Resistance Transimpedance Amplifier. Texas Instruments, Datenblatt, August 2016, www.ti.com/lit/ds/symlink/opa857.pdf.

Der Autor

Jacob Freet, TI
© Texas Instruments

Jacob Freet von Texas Instruments

Jacob Freet

ist als Applications Manager für die High-Speed-Verstärker-ICs von Texas Instruments zuständig. Er ist seit über sieben Jahren im Bereich der schnellen Verstärker tätig, mit dem Schwerpunkt auf schnellen Operationsverstärkern, echten Differenzverstärkern und Transimpedanzverstärkern.

Freet hat ein Elektrotechnik-Studium an der University of Pittsburgh mit einem Bachelor abgeschlossen und war vor seinem Wechsel in seine jetzige Position in der IC-Entwicklung und in der Produktdefinition tätig.

asktexas@ti.com

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