Transimpedanzverstärker
Ideal für leistungsfähige und kostengünstige Rauchmelder
In Rauchmeldern kommen Operationsverstärker als Transimpedanzverstärker zum Einsatz, um die schwachen Ströme der Fotodiode zu verstärken. Die Entwicklung einer geeigneten Verstärkerschaltung lässt sich auf wenige Schritte vereinfachen.
Die Helligkeitsmessung mit Fotodioden ist eine verbreitete Technik, bei der Operationsverstärker (OPV) eingesetzt werden, um das Signal einer Fotodiode für die jeweilige Anwendung aufzubereiten. Ein Beispiel hierfür sind Rauchmelder, in denen das Vorhandensein von Rauch in der Messkammer mithilfe eines fotoelektrischen Verfahrens festgestellt wird.
Eine Fotodiode liefert einen Strom, dessen Höhe proportional zur Stärke des auf die Sensorfläche treffenden Lichts ist. Je nach Anwendung wird die Fotodiode entweder im fotovoltaischen oder fotokonduktiven Modus betrieben. Beide Varianten haben ihre spezifischen Vorteile [1].
In einem Rauchmelder arbeitet die Fotodiode im fotokonduktiven Modus und der Strom der Fotodiode wird in der Regel mithilfe eines Transimpedanzverstärkers verstärkt. Im fotokonduktiven Modus wird die Fotodiode mit 0 V (Bild 1) oder einer negativen Vorspannung betrieben, damit sie nicht in Durchlassrichtung vorgespannt wird.
Jobangebote+ passend zum Thema
Mit Gleichung 1 lässt sich die Gleichstrom-Übertragungsfunktion der in Bild 1 gezeigten Schaltungen berechnen. Dabei ist zu beachten, dass der Fotodiodenstrom iD vom invertierenden Anschluss des Operationsverstärkers wegfließt.
(1)
In drei Schritten zur funktionierenden Schaltung
Mit der in [2] beschriebenen Methode lässt sich bestimmen, welches Verstärkungs-Bandbreitenprodukt ein Operationsverstärker für den Einsatz als Transimpedanzverstärker mindestens mitbringen muss. Die Mindestbandbreite hängt von der erforderlichen Verstärkung und der Signalbandbreite sowie davon ab, welche Gesamtkapazität am invertierenden Anschluss des Operationsverstärkers liegt. Häufig ist es die Kapazität der Diode, die den größten Anteil an der Kapazität am invertierenden Eingangsanschluss des OPV hat, jedoch dürfen die Auswirkungen der Eingangskapazität des Operationsverstärkers nicht außer Acht gelassen werden.
Die Methode aus [2] basiert auf drei Schritten:
- Anhand des Rückkopplungswiderstands Rr und der Bandbreite des Signals (BS) wird die maximale Kapazität des Rückkopplungskondensators (Cr) berechnet, mithilfe von Gleichung 2:
(2)
- Um im nächsten Schritt die Gesamtkapazität (CE) am invertierenden Eingang des Verstärkers zu berechnen, kann für die in Bild 1 gezeigte Schaltung die Gleichung 3 verwendet werden:
(3)
Mit:
CJ = Sperrschichtkapazität der Fotodiode
CD = differenzielle Kapazität zwischen den Eingängen des OPV
CE– = Eingangskapazität am invertierenden Eingang des OPV Anhand der Gleichung 4 lässt sich nun das vom Operationsverstärker geforderte minimale Verstärkungs-Bandbreitenprodukt GBW (Gain Bandwidth) berechnen:
(4)
Mit diesen einfachen drei Schritten lassen sich viele der normalerweise bei Transimpedanzverstärkerschaltungen auftretenden Probleme hinsichtlich der Stabilität und der Verstärkung vermeiden, wenn ein Operationsverstärker gewählt wird, der genügend Bandbreite für die erforderliche Transimpedanzverstärkung bei der gewünschten Signalbandbreite aufweist. Operationsverstärker mit Verstärkungs-Bandbreitenprodukten zwischen 1 und 20 MHz eignen sich hervorragend für Rauchmelder-Anwendungen. Sie können die schwachen Signale des Sensors auf hinreichend hohe Pegel verstärken und gleichzeitig einen stabilen Betrieb garantieren.
- Ideal für leistungsfähige und kostengünstige Rauchmelder
- Neben Bandbreite zählt auch die Genauigkeit
Lesen Sie mehr zum Thema
Das könnte Sie auch interessieren
Analoge Signalverarbeitung im μC
MSP430 mit programmierbaren Analogschaltungen
Hohe Gleichtaktunterdrückung
Audio-Verstärker mit symmetrischem Eingang
Nanopower-Operationsverstärker – Teil 2
Einsatz als präzise Messverstärker: Messen der Stromstärke
Nanopower-Operationsverstärker – Teil 1
Einsatz als präzise Messverstärker: Gleichstromverstärkung
Mikrocontrollerfamilie MSP430
Mit programmierbarem Analog-Block
Vayyar Imaging
Hochleistungschip für 3D-Imaging
Differenzverstärker stabilisieren
Rauschverstärkung anpassen
Winzige Analogschaltungen
Operationsverstärker und Komparatoren im X2SON-Gehäuse
Instrumentenverstärker
Messung des linearen Arbeitsbereichs
