Schaltungstipp 2-Kanal-Colorimeter mit Transimpedanz-PGAs und synchronen Detektoren

In diesem Tipp beschreiben wir ein zweikanaliges Colorimeter mit einem Transmitter für eine modulierte Lichtquelle und einem synchronen Detektor als Empfänger. Indem man die modulierte Quelle und den synchronen Detektor nutzt, werden Messfehler aufgrund von Umgebungslicht und niederfrequentem Rauschen eliminiert.

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Schulz-Electronic GmbH

Analog Devices

Bei der Schaltung in Bild 1 handelt es sich um ein zweikanaliges Colorimeter mit einem Transmitter für eine modulierte Lichtquelle und einem synchronen Detektor als Empfänger. Die Schaltung misst das Verhältnis von Licht, das von den Mess- und Referenzbehältern bei drei verschiedenen Wellenlängen absorbiert wird.

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Die Schaltung ist eine effiziente Lösung für chemische Analysen sowie für Messgeräte zur Überwachung der Umwelt, mit denen Konzentrationen gemessen und mit Hilfe der Absorptionsspektroskopie Materialien charakterisiert werden. Im Signalaufbereitungspfad des Fotodiodenempfängers befindet sich ein Transimpedanzverstärker mit programmierbarer Verstärkung (PGA). Dieser wandelt den Diodenstrom in eine Spannung und ermöglicht die Analyse unterschiedlicher Flüssigkeiten mit großen Unterschieden in der Lichtabsorption.

Der 16-Bit-Sigma/Delta A/D-Wandler bietet einen zusätzlichen Dynamikbereich und sorgt bei zahlreichen Fotodioden-Ausgangsströmen für eine ausreichend hohe Auflösung. Nutzt man die modulierte Quelle und den synchronen Detektor statt einer konstanten DC-Quelle, werden Messfehler aufgrund von Umgebungslicht und niederfrequentem Rauschen eliminiert und eine höhere Genauigkeit erreicht.

Schaltungsbeschreibung

Der Vierfach-Operationsverstärker AD8618 bildet drei einfache Stromquellen zum Treiben der LEDs mit einem konstanten Strom. Das EVAL-SDP-CB1Z erzeugt einen 5-kHz-Takt, der eine LED moduliert. Der SPDT-Schalter (Single Pole, Double Throw) ADG633 wird verwendet, um die Referenzspannung der Stromquelle ein- und auszuschalten. Wenn man die Stromquellen für die anderen beiden LEDs auf 0 V einstellt, bleiben sie ausgeschaltet, während sie nicht genutzt werden.

Der Beam-Splitter schickt die Hälfte des Lichts durch den Messbehälter und die andere Hälfte durch den Referenzbehälter. Die Behälter absorbieren je nach Art und Konzentration des Materials in den Containern unterschiedliche Lichtmengen. Die Fotodiode auf der gegenüberliegenden Seite jedes Behälters erzeugt einen kleinen Strom, der proportional zur Menge des empfangenen Lichts ist.

Die erste Stufe jeden Kanals besteht aus einem Operationsverstärker AD8615, konfiguriert als Transimpedanzverstärker zur Wandlung des Fotodiodenausgangsstromes in eine Spannung. Der AD8615 ist aufgrund seines niedrigen Biasstromes (1 pA), seiner Eingangsoffsetspannung (100 μV) und seines Rauschens (8 nV/√Hz) eine sehr gute Wahl als Fotodiodenverstärker.

Obwohl das Signal später AC-gekoppelt ist, ist es dennoch wichtig, DC-Fehler in dieser Stufe zu minimieren, um Verluste im Dynamikbereich zu vermeiden. Der Eingangsbiasstrom des Operationsverstärkers multipliziert mit dem Wert des Rückkopplungswiderstands erscheint am Ausgang als Offsetspannung.

Die Eingangsoffsetspannung des Operationsverstärkers erscheint am Ausgang mit einer Verstärkung, die vom Rückkopplungswiderstand und dem Fotodioden-Shunt-Widerstand abhängig ist. Zusätzlich liegt jede Offsetspannung am Eingang des Operationsverstärkers über der Fotodiode an. Dies verursacht einen Anstieg des Fotodiodendunkelstroms. Bild 2 zeigt einen typischen Transimpedanzverstärker mit einem Rückkopplungswiderstand und seine ideale Übertragungsfunktion.

Da einige zu testende Flüssigkeiten eine sehr starke Absorptionscharakteristik haben können, muss man manchmal große Rückkopplungswiderstände einsetzen, um die sehr kleinen Ströme, die die Fotodiode erzeugt, zu messen. Gleichzeitig muss man in der Lage sein, die hohen Ströme sehr stark verdünnter Lösungen zu messen.

Deswegen bieten die Fotodiodenverstärker in Bild 1 zwei wählbare Verstärkungen. Eine Verstärkung ist mit 33 kΩ eingestellt, die andere mit 1 MΩ. Wenn ein SPDT-Schalter an den Ausgang des Operationsverstärkers angeschlossen ist, um die Rückkopplungswiderstände zu schalten, kann dies aufgrund des Durchlasswiderstands des ADG633 einen Transimpedanzverstärkungsfehler verursachen.

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