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Transimpedanzverstärker – Umgebungslichterfassung in Automobil-Displays

| Redakteur: Benjamin Kirchbeck

Mit einer Transimpedanz-Konfiguration für ein Kfz-Displaysystem lässt sich eine automatische Helligkeitsregelung realisieren, die einfach, kostengünstig und effektiv ist (Symbolbild).
Mit einer Transimpedanz-Konfiguration für ein Kfz-Displaysystem lässt sich eine automatische Helligkeitsregelung realisieren, die einfach, kostengünstig und effektiv ist (Symbolbild). (Bild: Hersteller)

Operationsverstärker (OpAmps) in Transimpedanz- oder Photodioden-Konfiguration werden in verschiedenen Displays im Auto häufig zum Regulieren der Hintergrundbeleuchtung benutzt, um die Ablesbarkeit für den Fahrer zu verbessern und Strom zu sparen. Worauf es beim Einsatz von Transimpedanzverstärkern ankommt und welche Besonderheiten bedacht werden müssen, lesen Sie hier.

Die Verwendung eines OpAmps anstelle eines komplexeren Lichtsensors bietet mehr Flexibilität und ermöglicht eine individuellere Anpassung. Die Displaysysteme im Auto, also die Head Unit, abgesetzte Displays, Cluster-Displays oder das Head-up-Display (HUD), verwenden die von der Schaltung ermittelte Umgebungshelligkeit, um die Hintergrundbeleuchtung an die Helligkeit oder die Tageszeit anzupassen, was in der Regel mithilfe eines A/D-Wandlers (ADC) oder eines Mikrocontrollers (MCU) erfolgt.

Die Aufgabe der Photodioden-Verstärkerschaltung besteht darin, den schwachen Strom aus der Photodiode in eine sinnvoll verwendbare Spannung umzuwandeln. Hierfür wird der OpAmp in einer Photodioden-Konfiguration (Bild 1) eingesetzt. Die Photodiode kann viele verschiedene Lichtquellen (sichtbares Licht ebenso wie Infrarot- und Ultraviolettlicht) detektieren. Je größer die Intensität des auf die Photodiode einwirkenden Lichts ist, umso höher ist der von ihr produzierte Strom und umso höher ist folglich auch die Ausgangsspannung der Schaltung.

Entscheidend für die Leistungsfähigkeit des gesamten Systems ist, dass der beste OpAmp für die Strom-Spannungs-Wandlung ausgewählt wird. Der Transimpedanzverstärker isoliert die Photodiode von der Ausgangsspannung des OpAmp und reduziert die Impedanz, mit der die Photodiode konfrontiert wird. In der Regel kommt in einem solchen Design ein OpAmp mit JFET- oder CMOS-Eingang und niedrigem Bias-Strom zum Einsatz, um die DC-Fehler zu reduzieren und wegen des geringeren Eingangsstromrauschens auch das Rauschen zu vermindern.

Bild 1: Typische Transimpedanzverstärker-Schaltung.
Bild 1: Typische Transimpedanzverstärker-Schaltung. (Bild: TI)

Wie in Bild 1 gezeigt enthält ein Transimpedanzverstärker in seiner einfachsten Form nur einen Widerstand und einen Kondensator im Rückkoppelzweig. Der Widerstand, der die Verstärkung des Operationsverstärkers festlegt, kann mithilfe der gewünschten Maximal- und Minimalspannungen sowie des maximal von der Photodiode generierten Stroms berechnet werden. Ein Kondensator wird im Rückkoppelzweig immer benötigt, um die Stabilität der Schaltung zu wahren und die Kapazität der Photodiode am invertierenden Eingang des OpAmp zu kompensieren. Der Kapazitätswert dieses Kondensators sollte entsprechend dem Wert des Rückkoppelwiderstands und der vom OpAmp geforderten Bandbreite gewählt werden.

Die Kombination aus Rückkoppelwiderstand und -kondensator führt zur Bildung einer Polstelle im Frequenzgang, oberhalb derer sich die Verstärkung verringert. Anschließend muss berechnet werden, welches Verstärkungs-Bandbreitenprodukt der OpAmp aufweisen muss, damit die Schaltung stabil ist. Das Verstärkungs-Bandbreitenprodukt wiederum wird von der Sperrschichtkapazität der Photodiode, der differenziellen Eingangskapazität des OpAmp, der Gleichtakt-Eingangskapazität des invertierenden Eingangs sowie den Werten des Rückkoppelwiderstands und des Rückkoppelkondensators bestimmt.

Für den Einsatz im Auto muss eine geringe Bias-Spannung an den nicht invertierenden Eingang des OpAmp gelegt werden, damit der Ausgang nicht zur negativen Eingangsspannung hin sättigt, wenn – wie bei völliger Dunkelheit – kein Eingangsstrom anliegt. Häufig wird ein mit der positiven Versorgungsspannung verbundener Widerstandsteiler benutzt, um den nicht invertierenden Eingang auf eine Spannung oberhalb der negativen Versorgungsspannung zu heben, wie in Bild 2 gezeigt. Im Regelfall wird eine Bias-Spannung von 0,1 V als ausreichend angesehen, und die Widerstände des Bias-Netzwerks werden so dimensioniert, dass diese Spannung am nicht invertierenden OpAmp-Eingang anliegt.

Darüber hinaus wird ein zum Filtern der Referenzspannung dienender, weiterer Kondensator dem direkt mit der Masse verbundenen Widerstand parallelgeschaltet. Der Wert dieses Kondensators wirkt sich unmittelbar auf die Eckfrequenz aus. Diese wiederum sollte so niedrig angesetzt werden, dass kein Rauschen aus der Versorgungsspannung an den Ausgang durchschlagen kann. Diese Sperrvorspannung bewirkt gegenüber einer Lösung ohne Sperrvorspannung ein Verringern der Sperrschichtkapazität der Photodiode, sorgt aber für ein schnelleres Ansprechen der Schaltung und verbessert die Hochfrequenz-Eigenschaften. Weitere Methoden für das korrekte Design der Schaltung enthält ein Referenzdesign für eine Photodioden-Verstärkerschaltung. Verfügbar ist ferner eine fundierte Analyse der zuvor beschriebenen Photodioden-Verstärkerschaltungen.

Bild 2: Typische Photodioden-Verstärkerschaltung.
Bild 2: Typische Photodioden-Verstärkerschaltung. (Bild: TI)

Der Photodioden-Verstärker gibt Designern die Möglichkeit, die Schaltung auf ihren individuellen Bedarf abzustimmen. Durch die strategische Wahl eines für Automotive-Anwendungen spezifizierten Operationsverstärkers oder durch Modifizieren der Bauelemente in der Schaltung können Designer die Verstärkung beeinflussen, für den richtigen Eingangs-Biasstrom sorgen oder Kompensationsglieder hinzufügen, um spezifische Stabilitätsprobleme zu beheben. Zum Beispiel lässt sich die Verstärkung der Photodioden-Verstärkerschaltung genau bestimmen, um den Bereich des Ausgangssignals genau auf den Eingang des verwendeten ADC abzustimmen. Außerdem sind für jeden Anwendungsfall viele Automotive-taugliche OpAmps verfügbar.

Zum Beispiel ist der TLV6001-Q1 von TI speziell für einen sehr geringen Photodiodenstrom von 75 µA ausgelegt und für eine erweiterte Bandbreite von 1 MHz geeignet. Eine Alternative ist der LM2904-Q1, bei dem es sich um eine Kombination aus zwei unabhängigen, frequenzkompensierten OpAmps mit einem Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt von 0,7 MHz handelt. Die Verwendung von Operationsverstärkern stellt eine wirtschaftliche Lösung für die automatische Helligkeitsregulierung dar. Diese Bauelemente kosten weniger als 0,25 US-Dollar (ab 1.000 Stück), während eine integrierte Schaltung mit gleicher Funktionalität durchaus 1,14 US-Dollar (ab 1.000 Stück) kosten kann, bei nur geringfügig höherer Leistungsfähigkeit.

Fazit

Photodioden-Verstärkerschaltungen sind eine ebenso einfache wie flexible Möglichkeit zum Anpassen der Hintergrundbeleuchtung vieler Systeme im Auto. Die von TI gebotene Auswahl an Operationsverstärkern sowie ergänzenden Ressourcen, die Hilfestellung beim Design der richtigen Schaltung leisten, ermöglichen die Implementierung einer maßgeschneiderten Lösung für jeden Anwendungsfall. Mit einer Transimpedanz-Konfiguration für ein Kfz-Displaysystem lässt sich eine automatische Helligkeitsregelung realisieren, die einfach, kostengünstig und effektiv ist.

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* basierend auf Informationen von Texas Instruments

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Wenn man über solche Verstärker schreibt, sollte man auch mal einen Blick auf die beigefügten...  lesen
posted am 13.11.2018 um 12:10 von Unregistriert


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