Strom-Spannungswandler

Einige Sensoren liefern als elektrische Ausgangsgröße einen Strom. Ein Beispiel ist die Fotodiode, die einen Strom abhängig vom Licht abgibt. In der Biologie gibt es Prozesse, die Licht emittieren, und deren Intensität mit Fotodioden gemessen werden kann. Wir suchen eine Lösung, mit der in der analogen Signalverarbeitung ein Strom in eine passende Spannung für den ADC umgewandelt werden kann. Dies leistet der Strom-Spannungswandler, der auch Transimpedanz-Wandler (TIA) genannt wird. Diese Abkürzung werde ich ab jetzt verwenden.

Basis des TIAs ist invertierende Verstärker.

Der invertierende Verstärker gibt am Ausgang den Strom in der Eingangsmasche multipliziert mit R2 aus. Wenn ein Sensor diesen Strom in den Knoten zwischen R1 und R2 direkt einspeist, dann ist die Ausgangsspannung des OPs bereits proportional zum Eingangsstrom. Eine Schaltung dafür sieht folgendermaßen aus:

Der Sensorstrom wird als ideale Stromquelle modelliert. Sie schließen eine Photodiode also direkt an den OP-Eingang an.

Ein realer Sensor stellt immer eine reale Stromquelle dar. Er weist also einen Ausgangswiderstand auf. Ändern wir also das Modell des Sensors in der Schaltung:

Die Spannung zwischen den beiden OP-Eingängen Ud beträgt immer 0V. Die Stromquelle und ihr Innenwiderstand liegen parallel zur Spannung Ud. Damit fällt weder an der Stromquelle noch am Innenwiderstand Spannung ab. Der Strom durch den Innenwiderstand – der die Messung eigentlich verfälscht – ist in dieser Verschaltung immer 0. Deshalb wird sie gerne für Strommessung eingesetzt.

Weiter