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

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Transimpedanzverstärkungsfehler vermeiden

Um dieses Problem zu vermeiden zeigt Bild 3 eine bessere Konfiguration. Hier wählt der ADG633 in der Rückkopplungsschleife den gewünschten Widerstand, während ein zweiter Schalter die nächste Stufe des Systems mit der gewählten Rückkopplungsschleife verbindet. Die Spannung am Ausgang des Verstärkers ist

U_{TIA OUTPUT} = I_PHOTODIODE × R_FEEDBACK statt

U_{TIA OUTPUT} = I_PHOTODIODE × (R_FEEDBACK + R_{ON ADG633}), was einen Verstärkungsfehler repräsentiert.

Da sich einer der Schalter ADG633 außerhalb der Rückkopplungsschleife befindet, entspricht die Ausgangsimpedanz dieser Stufe dem Durchlasswiderstand des ADG633 (typisch 52 Ω). Der Rückkopplungskondensator C_Fx ist aus Stabilitätsgründen erforderlich, um die durch die Gesamteingangskapazität (Diodenkapazität plus Operationsverstärker-Eingangskapazität) und den Rückkopplungswiderstand R_Fx erzeugte Polstelle zu kompensieren.

Selbst die besten Rail-to-Rail Ausgangsverstärker wie der AD8615 können ihre Ausgangsspannung nicht komplett auf Versorgungspotenzial bringen. Ferner kann die Eingangsoffsetspannung am AD8615, obwohl sie sehr klein ist, negativ sein. Statt eine negative Versorgungsspannung zu verwenden, die garantiert, dass der Verstärker niemals begrenzt und somit bis 0 V treiben kann, spannt die Referenz ADR4525 die Fotodiode und den Verstärker auf 2,5 V vor. Ein 5-V-Linearregler versorgt die analogen und digitalen Bereiche des Boards.

Die Ausgangsspannung des Fotodiodenverstärkers bewegt sich zwischen 2,5 und 5,0 V. Für den 33-kΩ-Bereich korrespondiert dieser 2,5-V-Ausgangsbereich mit einem Fotodiodenstrom von 75,8 μA (Vollausschlag). Für den 1-MΩ-Bereich korrespondiert er mit einem Fotodiodenstrom von 2,5 μA (Vollausschlag).

Unabhängig wählbare Verstärkungseinstellung

Arbeitet man bei der 1-MΩ-Verstärkungseinstellung, ist es wichtig, die Fotodiode von externem Licht abzuschirmen, um zu verhindern, dass der Verstärker in die Sättigung gelangt. Obwohl der in den folgenden Abschnitten beschriebene synchrone Gleichrichter alle Frequenzen, die nicht synchron mit dem LED-Takt sind, stark dämpft, kann er nicht optimal funktionieren, falls sich die vorangehenden Stufen in der Sättigung befinden.

Die Verstärkungseinstellung für jeden Kanal ist über das Board EVAL-SDP-CB1Z unabhängig wählbar. Die nächste Stufe ist ein einfacher, gepufferter Filter mit AC-Kopplung. Die Grenzfrequenz des Filters ist auf 7,2 Hz eingestellt; der Filter entfernt jede Ausgangsoffsetspannung und dämpft niederfrequente Lichtverunreinigungen von Glühlampen und Leuchtstoffröhren sowie anderes Streulicht, das in die Fotodioden dringt.

Der Ausgang des ADR4525 sorgt auch für ein Biasing dieser Schaltung bei 2,5 V; deshalb liegt der Ausgangssignalbereich dieser Stufe nominal bei 1,25 bis 3,75 V. Dem AC-gekoppelten Filter nachgeschaltet ist ein synchroner Gleichrichter, aufgebaut mit einem Differenzverstärker AD8271 und einem Dreifach-SPDT-Schalter ADG733. Die Schalter im ADG733 liegen in Reihe mit dem internen 10-kΩ-Verstärkungseinstellwiderstand des AD8271. Deshalb verursacht der maximale Durchlasswiderstand des ADG733 von 4,5 Ω einen Verstärkungsfehler von weniger als 0,05% und eine Temperaturdrift von weniger als 1ppm/°C.

Der Rest des Systems nutzt die Schalter ADG633 wegen ihrer sehr niedrigen Leckströme und ihrer geringen parasitären Kapazitäten. Wenn sich der Takt, der die LEDs treibt, im „High“-Zustand befindet, konfigurieren die Schalter im ADG733 den AD8271 für eine Übertragungsfunktion von U_O = U_IN. Darin ist U_O der Ausgang des synchronen Detektors. U_IN ist der Eingang des synchronen Detektors und reicht von 2,5 bis 3,75 V. Mit dieser Konfiguration verhält sich der synchrone Gleichrichter als Verstärker mit Eins-Verstärkung.

Wenn sich der Takt, der die LEDs treibt, im „Low“-Zustand befindet, konfigurieren die Schalter im ADG733 den AD8271 für eine Übertragungsfunktion von U_O = 2 U_REF – U_IN. Darin ist U_REF der 2,5-V-Ausgang des ADR4525. U_INreicht von 1,25 bis 2,5 V. In diesem Fall beträgt der Ausgang des synchronen Gleichrichters 3,75 V, wenn der Eingang 1,25 V beträgt (die kleinste mögliche Ausgangsspannung der AC-gekoppelten Stufe) und 2,5 V, wenn der Eingang 2,5 V ist (Midscale-Ausgang der AC-gekoppelten Stufe).

In dieser Konfiguration hat der synchrone Gleichrichter eine Verstärkung von −1, vorgespannt um die +2,5-V-Referenzspannung.

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