Schalter für Rückkopplung bei Transimpedanzverstärker

[Michael L. (Gast)]

Hallo,

die im Anhang gezeichnete Transimpedanzverstärkerschaltung soll für die 
Messung einer modulierten Laserlichtintensität (DC-100kHz) genutzt 
werden.
Für die Justage benötige ich eine andere Verstärkung als für die 
Messung. Daher soll der Rückkopplungswiderstand umgeschaltet werden.

Welcher Schalter bietet sich für den Rückkopplungszweig an:
- Relais (welches Modell bietet sich an)
- mechanischer Schalter (stören dabei die Zuleitungen zum Gehäuse / der
  parasitäre Leitwert gegen Masse)
- Halbleiterschalter wie ADG704 
(http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADG704.pdf; 
will ich eigentlich vermeiden, da aktives Bauelement und zum Schalten µC 
nötig, der Störimpulse verursacht)

Oder sollte ich die Variation der Verstärkung besser in einer zweiten 
OPV-Stufe realisieren, bei der die Leistungen mehr als homöopatisch 
sind?



Gruß,
  Michael

[so so (Gast)]

Zum Schalten : Einen Jumper ? Sonst geht alles.

[Eddy Current (Gast)]

Eigentlich würde ich einen MOSFET empfehlen. Es schreit förmlich danach. 
Und zwar Source an Opamp -, Drain zum zu schaltenden Widerstand und den 
Source ebenum zum Schalten.

An diesem Punkt hängt der Source somit perfekt an einer virtuellen Masse 
und er kann somit sehr leicht angesteuert werden.

Vorteil: Keine Probleme mit Brummeinstreuung durch lange Kabel oder 
Hochpasseffekte durch abgeschirmte Kabel und billig ist er sowieso.

[Bereits F. (Firma: D.ade) (bereitsfort)]

Analogschalter.

das sind Mosfet mit getrenntentem Suorce und Bulkanschluss

Alternativ ein Digitalpoti Funktionsprinzip ist das Gleiche.

[Michael L. (Gast)]

Hallo Eddy Current,

> Eigentlich würde ich einen MOSFET empfehlen. Es schreit förmlich danach.
> Und zwar Source an Opamp -, Drain zum zu schaltenden Widerstand und den
> Source ebenum zum Schalten.
>
> An diesem Punkt hängt der Source somit perfekt an einer virtuellen Masse
> und er kann somit sehr leicht angesteuert werden.

hmm - sieht auf den ersten Blick gut aus, hatte ich mir noch gar nicht 
überlegt. Ich glaube aber, es funktioniert trotzdem nicht.

- Wenn der FET leitet, ist alles gut.

- Wenn der FET aber sperren soll, leitet er durch seine parasitären 
Kapazitäten noch zu viel Strom.

Als Größenorientierung:
Ich will 100kOhm und 22pF in den Leerlauf bringen und stattdessen 1MEG 
und 2.2pF schalten.

Ich habe mir mal die DS-Kapazität eines N-FET rausgesucht.
(Die GS-Kapazität ist auch da, das will ich aber jetzt gar nicht so 
genau betrachten.) Der BSN20 hat beispielsweise 7pF. Ich glaube, das ist 
schon recht wenig für diskrete Bauelemente, denn schnelle Dioden wie 
BAV99 haben auch immerhin noch 2-3pF; von 30fF wie beim 
DRAM-Speicherkondensator kann man da nur träumen.

7pF in Serie mit 22pF macht 7*22/(29)=5,3pF; da bleiben von den 22pF 
immer noch 5,3pF. Ich will aber eigentlich bei 1MEG nur 2.2pF haben.

7pF in Serie mit 100kOhm macht bei 100kHz

| 100kOhm + 1/(jwC) | = sqrt{(100k)^2 + 1/(2*pi*100kHz*7pF)^2}
= sqrt{ (100k)^2 + (230k)^2 } = 250k.

Das ist verdammt wenig im Vergleich zu dem 1MEG, das parallel dazu 
geschaltet werden sollen.

Also gut, mit Halbleiterschaltern geht's wohl nicht so einfach.
Da werde ich dann wohl ein Relais nehmen oder ne zweite OPV-Stufe mit 
einem deutlich geringerem Rückkopplungswiderstand; dann machen die 
Kapazitäten nicht so viel Ärger.

Jumper - wie von jemand anderem vorgeschlagen - wären natürlich erste 
Wahl. Das Gerät soll aber in ein abgeschlossenes Gehäuse kommen; dann 
müßte man immer aufschrauben.


Gruß,
  Michael

[Michael L. (Gast)]

Hallo,

> Analogschalter.
>
> das sind Mosfet mit getrenntentem Suorce und Bulkanschluss
>
> Alternativ ein Digitalpoti Funktionsprinzip ist das Gleiche.

wie bereits ausgerechnet, klappt's wohl aufgrund der Kapazitäten nicht, 
außer ich schalte vielleicht zwei in Serie; doch dann bleibt immer noch 
die GS-Kapazität.


Ein typisches Reedrelais für die Anwendung:

http://www.reichelt.de/?;ACTION=3;LA=4;GROUP=C31;GROUPID=3291;ARTICLE=15191;START=0;SORT=order_col_artnr_besch;OFFSET=16;SID=15qtm-5dS4AQ8AAEoaLwAca3dbf5e8947414e68ab24f60b2d4933

hat 0,2pF zwischen den Anschlüssen, das ist dann wohl die richtige 
Größenordnung.

Fazit ist also:
- Bei empfindlichen Transimpedanzverstärkern (100kOhm und mehr) geht das 
Schalten wohl nur mit Relais und Jumpern.

- Bei 10MEG-Rückkopplungswiderstand gehen dann nur noch Jumper oder zwei 
Relais in Serie oder ein mehrstufiger Verstärker.


Gruß,
  Michael

[Eddy C. (chrisi)]

Hi Michael,

ja, Du hast recht, das kann Probleme geben.

Ohne jetzt meinen Vorschlag retten zu wollen nur noch die Idee, die 
Geschichte zweistufig auszulegen:

1. Stufe: Fester Transimpedanzverstärker
2. Stufe: Schaltbarer Spannungsverstärker

Vorteile:
- Die Umschaltung erfolgt an höheren Pegeln
- Die 1. Stufe darf generell niederohmiger/hochkapazitiver ausgelegt 
werden und ist damit schneller und unempfindlicher gegen Störungen.
- Der Rauschpegel bei höheren Frequenzen, der durch die 100pF der 
Fotodiode verursacht wird, wird damit ebenfall reduziert.

Nachteile:
- Nunja. Hast Du mit dem zweiten OpAmp schon was vor? :-)

[Max (Gast)]

Hallo Das Problem ist folgendes:

Der ideale OPV dreht die Phase um 180 Grad. Der frequenzkompensierte OPV 
hat einen Tiefpass (10 Hz beim 741) und dreht um weiter 90 Grad. Also 
sind es schon 270 Grad. Durch den Gegenkopplungswiderstand und der 
Fotodiode ist ein weiterer Tiefpass vorhanden, der die Phase dreht. Dann 
ist die Phasereserve zu klein und es wir Überschinger oder sogar 
Oszillationen geben.

1. Als einfachste Lösung könnte ein Serienwiderstand zur Fotodiode sein.
   Vielleicht kann man sich dann den 2,2 pF sparen?
   Vorschlag 10k

2. Sehr kleine Kapazitäten kann man mit einer Sternschaltung 
realisieren. Dann können größere Kondensatoren verwendet werden, die 
aber wie kleine Kondensatoren wirken. Die relevante Theorie ist die 
Stern-Dreieckumwandlung.
-> siehe Bild im Anhang

3. Der Vorschlag von Michael, mit einem zweiten OPV zu arbeiten, ist 
auch nicht zu verachten.

Gruß Max

[Rolf H. (Firma: AERAS GmbH) (rolf-heindorf)]

Hallo,
wie sieht's mit so'n Teil aus?
http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/MMBFJ309LT1-D.PDF

Gruß

[Michael L. (Gast)]

Hallo Rolf und Max,

> Hallo,
> wie sieht's mit so'n Teil aus?
> http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/MMBFJ309LT1-D.PDF

Das sieht glaube ich ganz gut aus! Ich muß mal durchrechnen, ob ich mir 
einfach die 2p2 sparen kann und stattdessen die parasitären Kapazitäten 
des FET verwende.

Ich glaube, ich lege die Platine so aus, daß ich beide Möglichkeiten 
realisieren kann. Die Idee mit der Stern-Dreiecksumwandlung von Max 
finde ich gut; dann kann ich wenn nötig eine Feineinstellung bei der 
Kapazität vornehmen.


Gruß,
 Michael