Integrator met de AD8620

Beste allen,

ik ben bezig met het ontwerpen van een integrator schakeling voor het meten van licht met een zeer lage intensiteit. Dit licht meet ik met een SFH2430, waarbij er ongeveer 0.1 nA aan stroom opgewekt wordt.
De onderdelen zijn als volgt aangesloten waarbij geldt dat Vref=1.75V, VDC=7V en C=1nF.

Schakelen wordt met relais gedaan, waarbij de schakelaar SH een switch-over is zodat er altijd een spanning over de fotodiode staat.

Momenteel gebruik ik hier voor de AD712, maar omdat de AD8620 een lagere input bias current heeft zou ik deze graag willen gebruiken.
Wanneer ik de AD8620 aansluit stijgt de uitgangsspanning echter vrijwel direct naar het maximale, ook wanneer ik de fotodiode weg laat.
Met een 1 uF condensator kom ik uit op een "lekstroom" van enkele mA's. Mijn eerste gedachte was dat de OpAmp een bepaalde belasting nodig heeft, (normaal is deze alleen op een ADC aangesloten) maar ook met een 100 Ohm weerstand gebeurt dit.
Wanneer ik Vref verlaag naar 0.9 of lager gebeurt dit niet en gedraagt de schakeling zich als een normale integrator, met of zonder de fotodiode.

Kan er iemand mij helpen met het oplossen van dit probleem?

Groeten,
Ivar

Waarom gebruik je een integrator en niet een comparator?
Juist een comparator is erg gevoelig voor spanning veranderingen op de foto diode.
De ingang van de opamp waar de fotodiode op staat, moet gelijk zijn als de spanning op de andere ingang van de opamp.
Waarom staat daar een schakelaar op?
Je zou wel een vorm van hysteresis in kunnen bouwen.

"tijd is relatief"

Ha iv14,

Je zult een TIA moeten gebruiken de uitgang van de Op amp via Rf naar de diode en parallel aan de RF een condensator een stroom terugkoppeling.
Wel even aan rekenen i.v.m. de diode capaciteit.
Je kunt wel de zelfde Op amp gebruiken als integrator.

Groet,
Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.

Goedemorgen en bedankt voor deze snelle reacties,

Martin, ik gebruik een integrator omdat ik de spanning over de fotodiode constant wil houden. Wanneer de spanning over de fotodiode constant is levert hij een stroom die lineair proportioneel is aan de ontvangen lichtintensiteit. Die schakelaar is om er voor te zorgen dat er altijd een spanning over de fotodiode staat, met deze schakelaar kan ik de integratie als het ware aan zetten. Wanneer ik geen spanning over de fotodiode zet wanneer ik niet integreer krijg ik accumulatie van lading over de capaciteit van de fotodiode en zie ik een "sprongetje" in de spanning tijdens eerste seconden van de integratie. Dit is omdat de fotodiode zich dan gedraagt als condensator die leeg loopt.

Electron920, ik gebruik de integratie schakeling juist als een transimpedance amplifier (TIA). Wanneer ik een weerstand Rf parallel aan de condensator plaats krijg ik een TIA met een frequentie-respons afhankelijk van de RC-waarde, door R als oneindig groot te nemen krijg ik een TIA met een hele lage bandbreedte. Dit is voor mijn toepassing prima omdat de stroom van de fotodiode constant blijft, hij is enkel erg laag.
Wanneer ik een weerstand zou gebruiken zou ik voor de erg lage stromen (~0.1nA) een weerstand in de orde van giga-ohm nodig hebben. Dit introduceert erg veel ruis in mijn systeem waardoor ik gekozen heb voor de integrator schakeling.

Wanneer ik deze schakeling bouw met de AD712 werkt hij naar behoren, het is enkel wanneer ik de AD712 vervang voor de AD8620 dat hij vrijwel direct satureert. Dit gebeurt niet bij referentiespanningen onder de 0.9V, dit heb ik zelf niet kunnen verklaren en ik hoop dat iemand mij uit kan leggen waar dit vandaan komt.

iv14 Nu begrijp ik de opzet van jouw schakeling, hartelijk dank voor de uitleg.

"tijd is relatief"

De specificaties van de AD8620 geven voor de voeding ±5V tot ±13V aan.
Je voeding is maar 7V.
Verder wat tips: gebruik i.p.v. een enkele voeding een ± voeding. De gebruikte relais moeten goud gecoate contacten hebben.
Zorg voor een goede voedingsspanning ontkoppeling.

Rbeckers, bedankt voor je reactie. Ik heb momenteel geen dubbele voeding tot mijn beschikking, maar als ik VDC verhoog naar 12V gedraagt de OpAmp zich al meer naar verwachting.
Ik had even over het hoofd gezien dat deze OpAmp niet geschikt is voor een enkele voeding en het lijkt er inderdaad op dat dit de oorzaak is van de problemen.
Bedankt voor het meedenken!

Groeten,
Ivar

Je kunt die opamp wel op een enkele voedingsspanning gebruiken als je een referentie van de halve voedingsspanning maakt en de fotodiode op die halve voedingsspanning i.p.v. de GND aansluit.

Ha iv14,

Ik begrijp je uitleg maar.... zo is je schakeling niet stabiel :o
Om een goede analyse op je vraag te geven heb ik een vraag ;) welke schakelaar gebruik je i.v.m. de capaciteit ? deze beinvloed de diode capaciteit !
Door het schakelen van de ingang denk ik dat de ingang bias niet stabiel is het verschil tussen de twee IC is dat de AD712 heeft een ingangscapaciteit van ≈ 5.5 pF en de AD8620 heeft een ingangscapaciteit van ≈ 15.5 pF in combinatie met de capaciteit van de schakelaar zou het kunnen dat je niet meer stabiel ben en er oscillatie optreed waardoor de uitgang tegen de voedingsrails aanloopt.

Groet,
Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.

0,1 nA is naar mijn gevoel niet zo extreem, ik heb vorig jaar bij toeval een normale fotodiode voorversterker gemaakt met een gewone TL072 die het zonder problemen haalt (0,01V over 100M) Zelfs de offset verloopt niet zo erg als verwacht. Allicht ter inspiratie.

Response was bij mij een beetje belangrijk, de fotodiode zit achter een monochromator die aangedreven wordt. Trimmen met c'tjes op de scope met een led op de pulsgenerator als bron werkt prima.
Zo een voorversterker blijkt een handig ding om te hebben :)

Voor de schakelaars gebruik ik reed relays, de HE721A0500 voor de reset en de HE721C0510 voor de SH switch.
Dit gedrag van heel snel oplopen naar de positieve voedingsspanning gebeurt ook wanneer ik alleen de OpAmp, feedback condensator en referentiespanning gebruik. Dan heb ik de relais en fotodiode nog niet eens aangesloten.
Naar de reactie van rbeckers denk ik zelf dat de instabiliteit veroorzaakt wordt doordat ik de OpAmp voed met een enkele spanning, ipv de dubbele spanning die hij verwacht. Voor VDC=12V en Vref=1V heeft de OpAmp een VCM van -5V, waar de hij blijkbaar niet goed mee om kan gaan.

Aart, circuits als de jouwe heb ik zeker ook overwogen, maar omdat de stromen en spanningen zo laag zijn vormt ruis al snel een probleem. Ik heb niet de mogelijkheid om het hele circuit af te schermen en omdat ik toch geen bandbreedte nodig heb leek een integrator mij de beste optie.

Groeten,
Ivar

Ik doorzie niet helemaal wat u hoe wilt bereiken. Een meer algemene opmerking;

Allicht is het een idee eerst het eenvoudige geval goed werkend te maken, dus optimaal opgebouwd, sy gevoed uit batterijen en met afscherming, en pas daarna stappen te maken naar lastige beperkingen die er in de toepassing zijn. Met het kastje open is mijn voorversterker op het gevoeligste bereik nauwelijks bruikbaar.

Ha iv14,

Kan je ter vervanging van de diode een condensator aan de ingang plaatsen ik denk dat zonder feedback je geen stabiele situatie kan bereiken.
Denk hierbij aan de fase ruimte van je Op amp.
Ik werk zelf ook met foto diodes en vermenigvuldigers snel tot heel snel in jou situatie kan het langzaam zijn maar let wel op de ontkoppeling van je voedingsrails.
Dat je gebruik maakt van een voedingsspanning is geen probleem.
Maar je feedback weerstand wel die moet je echt aanbrengen.

Groet,
Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.

Martin, ik gebruik een integrator omdat ik de spanning over de fotodiode constant wil houden.

Ivar, ik denk (net als Martin lijkt me) dat je de schakelaar SH beter weg kunt laten en de diode permanent aan de - ingang kunt verbinden. Als Reset gesloten is dan gaat de diodespanning vanzelf naar (vrijwel) Vref.
Albert

Ik ben het er inderdaad mee eens dat de SH schakelaar een beetje overbodig is. Ik zal deze in het vervolg dan ook weglaten.

electron920, wanneer ik een 470 megaOhm weerstand parallel aan de condensator plaats gedraagt de schakeling zich nog steeds hetzelfde. Met of zonder de fotodiode aan de negatieve input.
Wellicht dat dit nog steeds tot instabiliteit zorgt, maar dan zou ik in ieder geval een verschil in gedrag met of zonder de fotodiode verwachten.
Ik heb nog niet kunnen testen wat er gebeurt als ik de fotodiode halverwege de voedingsspanning hang in plaats van op GND, ik hoop dit volgende week te kunnen testen.

Groeten,
Ivar

Ha iv14,

Eerst een misverstand 8)7

Op 26 maart 2020 08:50:54 schreef iv14:

Electron920, ik gebruik de integratie schakeling juist als een transimpedance amplifier (TIA). Wanneer ik een weerstand Rf parallel aan de condensator plaats krijg ik een TIA met een frequentie-respons afhankelijk van de RC-waarde, door R als oneindig groot te nemen krijg ik een TIA met een hele lage bandbreedte. Dit is voor mijn toepassing prima omdat de stroom van de fotodiode constant blijft, hij is enkel erg laag.
Wanneer ik een weerstand zou gebruiken zou ik voor de erg lage stromen (~0.1nA) een weerstand in de orde van giga-ohm nodig hebben. Dit introduceert erg veel ruis in mijn systeem waardoor ik gekozen heb voor de integrator schakeling.

Dat is niet waar maak de feedbackweerstand hoog.
Dit lijkt misschien contra-intuïtief - een hogere waarde van de feedbackweerstand draagt meer spanningsruis bij (door de vierkantswortel van de weerstandswaarde) maar..... een hogere waarden verhoogt ook de signaalversterking (recht evenredig met de weerstandswaarde), dus over het algemeen neemt de signaal-ruisverhouding toe met een grotere feedbackweerstandswaarde.

Ik zal morgen een ontwerpje van mij posten even kijken naar de specificatie van jou diode.
Wil je ook een donkerstroom regeling ?
Als je de ruimte heb op print kan je beter een Op amp nemen als voorversterker en daarachter filteren.

Groet,
Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.

Hoi Henk,
een heel hoge weerstand zou mij inderdaad een goede signaal-ruis verhouding geven, maar omdat ik haast geen bandbreedte nodig heb (3 minuten meten is zeker geen probleem) leek het mij beter om de feedbackweerstand helemaal weg te laten om zo een nog hogere signaal-ruisverhouding te krijgen.
Een lage bandbreedte is natuurlijk ook te krijgen door mijn RC-product hoog te maken, maar een integrator lijkt mij juist ideaal omdat het bijvoorbeeld ook 50Hz distortie er uit filtert. Ik ben zelf een beetje huiverig voor weerstanden omdat deze in de RF-wereld uit den boze zijn voor versterkers, maar we hebben het hier natuurlijk over hele andere frequenties.
Het integrator-circuit zoals ik hem voorstelde werkt prima met de AD712, ik begreep alleen niet waarom het niet werkte met de AD8620.

Wat zou je voorstellen als donkerstroom regeling? Momenteel maak ik de donkerstroom zo klein mogelijk door de spanning over de fotodiode te minimaliseren. Ik heb inderdaad genoeg ruimte op mijn print.

Groeten,
Ivar

Ha iv14,

Om op je vraag terug te komen er zitten wel verschillen tussen de twee Op-amps maar de opstelling is belangrijk.

Ik heb een voorzet (schema)

Ik ben uitgegaan van je gekozen fotodiode en Op-amp.
De diode capaciteit is ≈10 pF bij 1.75 V ik zal een Spice model schrijven maar omdat de fabrikant niet heel veel data beschikbaar stelt is het een algemene benadering.
Als je kan probeer dit eens i.v.m. de stabiliteit ;) ik heb jou diode niet in huis maar een experimentje met een SFH320 geeft goede resultaten.
Ook je integrator is te gebruiken door middel van een set/reset schakelaar twee fetjes werkt dit netjes.
Voor de donkerstroom regeling..... dit is heel belangrijk in jou situatie 0.1 nA gevoeligheid is bijna niet haalbaar zonder auto zero de reststroom ligt tussen de 0.5 en 5 nA O-)
Hier ga ik nog naar kijken waarom zo gevoelig wat is je project als je er iets over kan/mag vertellen :+
De opbouw is qua afscherming heel belangrijk let ook op de capaciteit aan de ingang.
Misschien kom je er niet omheen om een losse jfet te gebruiken direct bij de diode.

Groet,
Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.

Hoi Henk,
bedankt voor je schema en je moeite, voordat ik over gestapt ben op een integrator heb ik dit schema (zonder 2e OpAmp) met een feedback weerstand van 470M geprobeerd.
Met een feedback condensator van 39pF gaf dit mij een bandbreedte van ongeveer 9 Hz, wat voor mij voldoende is. Dit gaf mij een uitgangsspanning van 0.47mV per 0.1nA, maar onder andere vanwege de ruis op dit signaal heb ik uiteindelijk gekozen voor een integrator.
In jou circuit stel je een weerstand van 402k voor, dit zou mij 40uV per 0.1nA geven, wat voor mij al helemaal niet meetbaar zou zijn.

Ik ben bezig om bio-luminescentie te meten en daarna te visualiseren (met een Raspberry Pi). Dit is zeer zwak licht wat met het blote ook niet zichtbaar is. Om een idee te geven: een goede spiegelreflex-camera heeft hier een sluitertijd van een minuut voor nodig, hier heb ik ook het idee van een integrator vandaan. Omdat dit systeem een lens nodig heeft om het licht op te vangen komt er ook gelijk een hoop EMI mee, wat het ontwerpen van een TIA zoals jij voorstelt erg uitdagend maakt.

Groeten,
Ivar

Ha iv14,

Dat is vreemd er zou 2 V uit moeten komen ik kijk een en ander na :?

Hier een voorstel met auto zero

Deze is met je zelfde Op-amp om een en ander qua experiment makkelijk te houden.
Ik zal proberen vandaag een compleet schema te tekenen met set reset auto zero en volgorde generator!

Vraag ben je gebonden aan de 1,75 V spanning op de fotodiode als deze naar 5 V verhoogt kan worden is de gevoeligheid een stuk beter door een grotere sperspanning wordt de Cj wel groter kleiner maar dat hoeft geen probleem te zijn gezien jou bandbreedte.

Groet,
Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.

Wordt door een grotere sperspanning de Cj groter???

Edit:

Vishay BPW34

Ha heer rbeckers,

Dank voor de opmerkzaamheid typo gecorrigeerd |:(
Het is denk ik in de toepassing van @TS beter om de fotodiode in PV mode te gebruiken i.p.v. PC mode.
Ik zal eens kijken.... wat er wel gebeurt is dat de Rf een stuk groter wordt ≈ 500 MΩ

Groet,
Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.