Schwerpunkte

Eingänge mit Transimpedanzverstärker

Maximale Dynamik und Auflösung

20. Oktober 2020, 07:10 Uhr   |  Von Samir Cherian

Maximale Dynamik und Auflösung
© Olivier Le Moal | Shutterstock

Sollen Verstärker mit unipolarer Versorgungsspannung betrieben werden, benötigen sie eine Vorspannung. Ihre Wahl sollte sorgfältig erfolgen, denn sie entscheidet über den Aussteuerungsbereich des Verstärkers – und über die nutzbare Auflösung eines nachgeschalteten Analog-Digital-Umsetzers.

Kameras, die nach dem Laufzeitverfahren arbeiten (ToF, Time of Flight), werden in großem Umfang in der Bildverarbeitung von Robotern, bei der Entfernungsmessung mit Laser, in der Lidar-Technik (Light Detection And Ranging) sowie bei der Positions- und Näherungssensorik eingesetzt. Durch Maximierung des Signal-Rauschabstands der analogen Eingangsstufen lässt sich der Dynamikbereich des Systems vergrößern, was wiederum zu einer verbesserten Zielauflösung, einer geringeren Schwankung der absoluten Position des Ziels sowie zur Erweiterung des „Sichtbereichs“ führen kann. Bei der Realisierung eines klassenbesten Systems geht es in erster Linie um die Optimierung der Optik, der analogen Signalverarbeitung in den Eingangsstufen und der digitalen Subsysteme zur Nachverarbeitung.

Die analoge Eingangsstufen besteht in der Regel aus drei Komponenten:

  • Einem Transimpedanzverstärker (TIA, Transimpedance Amplifier), der den Ausgangsstrom einer Photodiode (PD) oder einer Avalanche-Photodiode (APD) in eine Spannung umsetzt.
  • Einem Differenzverstärker, der das massebezogene Ausgangssignal des TIA in ein differenzielles Ausgangssignal umsetzt und die Gleichtakt- Ausgangsspannung an den Gleichtakt-Eingangsbereich des sich anschließenden A/D-Umsetzers (ADU) anpasst.
  • Einem ADU, der das analoge Ausgangssignal des Differenzverstärkers digitalisiert.

Für den Einsatz eines mit Impulsen arbeitenden Laufzeitverfahrens müssen von der Eingangsstufe analoge Signale mit einem sehr hohen Dynamikbereich verarbeitet werden können. Um aber den Dynamikbereich zu maximieren müssen Entwickler verschiedene Faktoren beachten, wenn sie die Vorspannungen (DC-Bias) einstellen.

Beschaltung und Arbeitspunkt der Photodiode

Analoge Eingangsstufe zur Verstärkung der Signale einer Photodiode mit positiver Vorspannung an der Katode
© Texas Instruments

Bild 1. Analoge Eingangsstufe zur Verstärkung der Signale einer Photodiode mit positiver Vorspannung an der Katode.

Photodioden – PD bzw. APD – lassen sich auf zweierlei Weise beschalten, um hochfrequente Signale zu verarbeiten:

  • Beschaltung und Arbeitspunkt der PhotodiodeAn die Katode der Photodiode (PD) wird eine Vorspannung mit positivem Vorzeichen gegenüber der Anode gelegt. Die Anode der Photodiode ist mit dem invertierenden Eingang des Transimpedanzverstärkers verbunden (Bild 1). In dieser Schaltung fungiert die Photodiode als Quelle für den Ausgangsstrom.
Analoge Eingangsstufe zur Verstärkung der Signale einer Photodiode mit negativer Vorspannung an der Anode
© Texas Instruments

Bild 2. Analoge Eingangsstufe zur Verstärkung der Signale einer Photodiode mit negativer Vorspannung an der Anode.

  • Alternativ wird an die Anode der Photodiode eine Spannung mit negativem Vorzeichen gegenüber der Katode gelegt. In dem Fall wird die Katode der Photodiode mit dem invertierenden Eingang des TIA verbunden (Bild 2). In dieser Schaltung dient die PD als Senke für den Ausgangsstrom.
    Sowohl in Bild 1 als auch in Bild 2 kann die Photodiode entweder DC-gekoppelt oder aber AC-gekoppelt mit dem TIA verbunden werden, um den DC-Offset infolge des Umgebungslichts zu eliminieren. Unabhängig von der Art der Kopplung wird jedoch die Gleichtakt-Ausgangsspannung der TIA-Stufe auf die Vorspannung am nichtinvertierenden Eingang eingestellt.

Gleichtakt-Beschaltung des Transimpedanzverstärkers

Beschaltung des Transimpedanzverstärkers (TIA) mit Vorspannung an der Katode der Photodiode
© Texas Instruments

Bild 3. Beschaltung des Transimpedanzverstärkers (TIA) mit Vorspannung an der Katode der Photodiode.

Ist die Photodiode gemäß Bild 3 angeschlossen, schlägt der Ausgang des TIA relativ zur Vorspannung am nichtinvertierenden Eingang in die negative Richtung aus. Um die Aussteuerung des TIA-Ausgangs zu maximieren, sollte die Vorspannung am nichtinvertierenden Eingang so eingestellt werden, dass bei der unteren zulässigen Grenze der positiven Gleichtakt-Eingangsspannung des TIA die größte Aussteuerung in positiver Richtung erreicht wird.

Der von Texas Instruments im Datenblatt des Operationsverstärkers OPA855 spezifizierte Gleichtakt-Eingangsbereich
© Texas Instruments

Tabelle 1. Der von Texas Instruments im Datenblatt des Operationsverstärkers OPA855 spezifizierte Gleichtakt-Eingangsbereich.

Im Fall des OPA855 von Texas Instruments [1] sollte die Vorspannung am nichtinvertierenden Eingang beispielsweise auf 3,95 V eingestellt werden, wenn der Verstärker mit einer positiven Versorgungsspannung von 5 V und einer negativen Versorgungsspannung von 0 V betrieben wird (Tabellen 1 und 2). In diesem Fall beträgt die maximale Aussteuerung des Ausgangssignals 3,95 V – 1,15 V = 2,8 V.

Im Datenblatt seines Operationsverstärkers OPA855 gibt Texas Instruments Grenzwerte für die Aussteuerung des Ausgangs an
© Texas Instruments

Tabelle 2. Im Datenblatt seines Operationsverstärkers OPA855 gibt Texas Instruments Grenzwerte für die Aussteuerung des Ausgangs an.

Wird die Photodiode entsprechend Bild 4 an den Operationsverstärker angeschlossen, so schlägt der Ausgang des TIA relativ zur Vorspannung am nichtinvertierenden Eingang in die positive Richtung aus. Um in dieser Schaltung die Aussteuerung des TIA-Ausgangs maximal nutzen zu können, sollte die Vorspannung am nichtinvertierenden Eingang so eingestellt werden, dass bei der obere Grenze des zulässigen Bereichs der negativen Gleichtakt-Eingangsspannung des TIA der Operationsverstärker am Ausgang seine größte Aussteuerung in die negative Richtung erzielen kann.

Beschaltung des Transimpedanzverstärkers (TIA) mit Vorspannung an der Anode der Photodiode
© Texas Instruments

Bild 4. Beschaltung des Transimpedanzverstärkers (TIA) mit Vorspannung an der Anode der Photodiode.

Im Fall des OPA855 von Texas Instruments sollte die Vorspannung am nichtinvertierenden Eingang beispielsweise auf 1,3 V eingestellt werden (siehe die Tabellen 1 und 2), wenn die Versorgungsspannungen des Verstärkers +5 V und Masse betragen. In diesem Fall beträgt die maximale Aussteuerung des Ausgangssignals 4,1 V – 1,3 V = 2,8 V.

Bei der Festlegung der Vorspannung am nichtinvertierenden Eingang sollte eine hinreichende Reserve einkalkuliert werden, um prozess- und temperaturbedingte Schwankungen des Verstärkers zu berücksichtigen. Wird die Vorspannung am nichtinvertierenden Eingang außerdem mithilfe eines Spannungsteilers aus Widerständen zwischen die Versorgungsspannungen gelegt, muss der Schaltungsentwickler unbedingt auch etwaige Widerstandstoleranzen sowie Schwankungen und Drifts der Versorgungsspannungen einzukalkulieren.

Im Falle des Widerstandsspannungsteilers sollte am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers außerdem ein Kondensator nach Masse geschaltet werden, damit das von den Widerständen erzeugte hochfrequente Rauschen zur Masse abgeleitet werden kann.

Hinweise für die Dimensionierung

Beim Festlegen der DC-Vorspannungspegel sind die Toleranzen der Widerstände und der Stromversorgung zu berücksichtigen und entsprechende Reserven einzukalkulieren, damit eine Sättigung einer der analogen Stufen vermieden wird.

Die Offsetspannung, der Eingangsstrom und die DC-Drift des Operationsverstärkers (TIA) und des Differenzverstärkers sollten beachtet werden, wenn die DC-Vorspannung festgelegt wird.

Die verschiedenen Fehlerquellen sollten bei der Wahl der DC-Vorspannungspegel genau beachtet werden. Nur dann kann die maximale Auflösung des ADU genutzt werden, ohne dass die Schaltung zur analogen Signalverarbeitung durch temperaturbedingte Schwankungen oder Exemplarstreuungen in die Sättigung gerät.

 

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1. Maximale Dynamik und Auflösung
2. Schnittstelle zwischen Differenzverstärker und Analog-Digital-Umsetzer

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