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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Zu viel Rauschen bei OPV Schaltung


Autor: Weihnachtsmann (Gast)
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Hallo,

ich verstärke das Signal eines Positionssensors. Die dazu verwendete 
Formel lautet: (U1-U2)/(U1+U2)

Es wird ein TL074CN zum verstärken und addieren bzw subtrahieren 
verwendet. Zum dividieren kommt ein AD538 zum Einsatz.

Kurz zum Problem: Das Subtrahierte sowie Addierte Signal (SUB und ADD) 
haben ein Rauschen von ca. 100 mV P-P. Das Nutzsignal ist so 500mV bei 
SUB und 1V bei ADD. Das Ausgangssignal hat ein Rauschen von ca 1V und 
geht über 4V.

Gemessen wird bei Spitzenwertabtastung.

Ist das normal? Ich habe versucht das zu berechnen und komme nicht auf 
so hohe Werte.

Vielen Dank für Hilfe

Autor: Weihnachtsmann (Gast)
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Anbei ein Bild von den Signalen. Ich habe einen Laser während der 
Aufnahme über den Sonsor bewegt. Gelb ist das Ausgangssignal.

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo,

> Ist das normal? Ich habe versucht das zu berechnen und komme nicht auf
> so hohe Werte.
Leider sagst Du das wichtigste nicht: Was Du für einen Sensor verwendest 
und mit welcher Schaltung Du die Signale verstärkst. Meine Glaskugel ist 
leider nicht so gut, und ob 100mV Rauschen viel oder wenig ist, weiß 
niemand ohne weitere Angaben. Eigentlich interessiert ja auch das 
Signal-zu-Rausch-Verhältnis.

Gruß,
  Michael

Autor: Weihnachtsmann (Gast)
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Und hier noch ne FFT vom Nutzsignal. In meinen Augen gibts da keinen 
Peak.

Bin übrigens sehr dankbar auch für Tips bezüglich anderer Ops. Sollte 
bis 100 kHz funktionieren...

Autor: Weihnachtsmann (Gast)
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Ups schaltplan vergessen.

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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> Anbei ein Bild von den Signalen. Ich habe einen Laser während der
> Aufnahme über den Sonsor bewegt. Gelb ist das Ausgangssignal.

Aha, jetzt kommen die Angaben ja, da hab ich zu früh gemeckert ;-)
Der gelbe Plot sieht nicht so richtig nach Rauschen aus, sondern nach 
irgendeiner Oszillation. Ich schau mal genauer rein.

Autor: Weihnachtsmann (Gast)
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Vielen Dank für die schnelle Antwort!

Wenn das so ist gebe ich nochmal die Daten dazu. Hier die FFT.

Autor: Weihnachtsmann (Gast)
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Hier das Ausgangssignal.

Autor: Weihnachtsmann (Gast)
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Das ist ADD.

Autor: Weihnachtsmann (Gast)
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Und das ist SUB.

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Du teilst die Differenz durch die Summe. Ich vermute, die Division ist 
das empfindlichste Bauteil. Ich habe mal mit einem Multiplizierer 
gearbeitet; der war auch sehr empfindlich, insbesondere was Störungen 
über die Spannungsversorgungen anging.

Ich will erstmal anfangen, ganz prinzipielle Fehler auszuschließen, denn 
ich habe den Eindruck, daß Du nicht einfach ein reines Rauschproblem im 
Sinne von "additivem Rauschen" hast. Wenn Du Dir den breiten gelben 
Balken am Anfang des Oszilloskop-Plots ansiehst und danach siehst, wie 
fein die Linie ist, die "runtergeht", ist das schon sonderbar.

Also:
- Sind an jedem IC (insbesondere dem Divisions-Chip und den OPAMPS) die 
Spannungsversorgungen gegen Masse entstört
D. h. hast Du an die 100nF Keramikkondensatoren, evtl. zusätzlich 10µF 
Elkos gedacht?

- Gibt es eine Möglichkeit, die Sensorsignale tiefpaßzufiltern (C über 
den Rückkopplungswiderstand), oder brauchst Du die gesamte Bandbreite?

Autor: Weihnachtsmann (Gast)
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Ich habe mir gemittelte FFTs (128 werte) bis 100 kHz angeschaut. Es gibt 
keine Regelmäßigkeiten. Aber bei 100 Hz scheint was zu sein. Hier ist 
ein Bild. Ich habe 9 Peaks vermessen mit der Frequenz 11 Hz gemessen => 
99 Hz.
Anbei ein Screenshot.

Autor: Weihnachtsmann (Gast)
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Und noch eine Nahaufnahme eines Peaks.

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Beim Dividierer ist komisch, daß die beiden Referenzspannungsquellen für 
10V und 2V kurzgeschlossen sind. Das kann nicht gut sein.

Das Summensignal ist anscheinend richtig verschaltet. Es sollte immer 
größer als Null sein. Doch was ist mit dem Differenzsignal? Kannst Du 
ausschließen, daß es kleiner als Null wird. Die Division erfolgt 
anscheinend durch vorherige Logarithmierung. Das klappt bei einer 
negativen Zahl nicht ordentlich.

Autor: Weihnachtsmann (Gast)
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Hallo,

nein ich entstöre nicht da es nur um ein Prototyp geht. Aber die 
Spannungsversorgung ist ein Labornetzteil. Sieht glatt bist 20 mV aus. 
Ist das trotzdem notwendig? Ich werde aber morgen was einbauen zum 
glätten.

Tiefpass... nee nur über 100 kHz brauche die Bandbreite.

Autor: Weihnachtsmann (Gast)
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Im Datenblatt steht:

"When using supplies below ± 13 V, the 10 V reference pin must be 
connected to the 2 V pin in order for the AD538 to operate correctly." 
(S.2)

und

"In situations not requiring both reference levels, the +2 V output
can be converted to a buffered output by tying Pins 4 and 5
together."

Ich denke das ist schon ok so.

Autor: Weihnachtsmann (Gast)
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Überlegen tue ich mir nur ob ich die Widerstände beim 
Addieren/Subtrahieren nicht ändern sollte...

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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> nein ich entstöre nicht da es nur um ein Prototyp geht. Aber die
> Spannungsversorgung ist ein Labornetzteil. Sieht glatt bist 20 mV aus.
> Ist das trotzdem notwendig?
Unbedingt! Überleg Dir mal, wie lang die Leitungen sind und wie hoch 
deren Induktivität ist. Da kann von niederohmiger Versorgung nicht mehr 
die Rede sein. Du kannst Dir außerdem mit den Leitungen und der damit 
aufgespannten Fläche schöne Störungen einfangen.

Die 100Hz Netzstörung siehst Du ja schon (das sind gleichgerichtete 
50Hz).


An jeden OPV sowohl an die +Versorgung als auch an die -Versorgung 
gehört ein Keramik-Kondenstor 100nF. Du kannst auch größere Werte nehmen 
wie 10nF. Aber der 100nF sollte immer dabei sein. (Es gibt insbesondere 
bei höherfrequenten Anwendungen dazu mehr zu sagen; aber Dir geht es ja 
erstmal um dieses Problem.)

Das wollte mir auch der Kollege mit dem Multiplizierer nicht glauben. 
Aber der Balken der Multiplikation wurde von einem fetten Fehlerbalken 
mit +/-1V zu einer feinen Linie, als er mal probehalber einen 
Kondensator an die Versorgungsspannung drangehalten hat.

Nimmst Du SMD-Bauteile oder mit Beinchen? Ich befürchte, Du hast die 
Beinchen-Variante. Dann hast Du in der Regel auch keine ordentliche 
Massefläche. Aber gehen sollte es trotzdem.

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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> Überlegen tue ich mir nur ob ich die Widerstände beim
> Addieren/Subtrahieren nicht ändern sollte...
Das ist nicht das Problem. Das thermische Rauschen von 9k ist bei 100kHz 
noch nicht so arg.

Autor: Weihnachtsmann (Gast)
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Wegen negativen Spannungen:

Das geht normalerweise nicht.

Aber auf Seite 8 ist eine "TWO-QUADRANT DIVISION" beschrieben. Da wird 
der Nenner zum zähler addiert. So kann man ihn ausklammern. Ist da auch 
beschrieben.

Würde man einfach ein Offset auf den Zähler machen, hätte man keine 
richtige normierung mehr.

Autor: Weihnachtsmann (Gast)
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Ok. Glauben tue ich auch nicht. Wir sind ja nicht in der Kirche ;-) aber 
machen tue ichs. Aber warum ist das notwendig? Ich meine die Versorgung 
ist ja glatt.

Was meinst du mit masse fläche? Ich habe beim AD538 Dip, bei TL074 werde 
ich in zukunft SO nehmen... ich schreibe morgen abend obs funktioniert 
hat.

Vielen Dank für die Hilfe!

Autor: Weihnachtsmann (Gast)
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Ok ist alles klar... haste ja schon erklärt. Dachte das macht nur was im 
HF bereich aus mit den Störungen. Wieder was gelernt.

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo,

wenn ich das insgesamt richtig sehe, besteht Dein vorwiegendes Problem 
in der zu schlechten Spannungsversorgung.

Diese äußert sich durch sehr starke Peaks im 10ms (=100Hz) Abstand. Weil 
im ersten Plot die Frequenzeinstellung bei <10Hz war, werden die Peaks 
nicht einzeln aufgelöst, und Du siehst ein breites Band.

Viel besser als reine Kondensatoren helfen sogenannte 
Festspannungsregler gegen die 100Hz-Störungen.

Diese heißen beispielsweise 7812 (für +12V positive Spannung) und 7912 
(für -12V Festspannung). Kostenpunkt pro Stück: etwa 10ct. Für 
empfindliche Meßschaltungen (und das sind Deine Schaltungen) unbedingt 
zu empfehlen.

Im Prinzip ist so ein Festspannungsregler nichts anderes als ein 
Transistor zwischen den +15V Eingangsspannung und den erwünschten +12V 
Ausgangsspannung, der immer so weit auf- oder zugedreht wird, daß am 
Ausgang +12V herrschen.

SDie Festspannungsregler werden eingangsseitig mit 15V...30V betrieben. 
Die Entstörung erfolgt mit je 100nF (Keramik) || 100µF (Elko) sowohl 
ein- als auch ausgangsseitig. Das ist ein erprobter Richtwert, der für 
Deine Anwendung funktionieren wird; achte bei den Elkos auf die richtige 
Polarität und verwende Elkos, die mindestens die Eingangsspannung 
aushalten.

Alle anderen Probleme scheinen mir kleiner zu sein, wie nicht 
ausdrücklich eingebautes Tiefpaßfilter u. ä.


Gruß,
  Michael

Autor: Stanko T. (newie)
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Hallo Weichnachtsmann,

ich würde mal die Neonröhre ausschalten oder den Aufbau mit einer 
Schachtel abdecken und mir das Signal dann anschauen.

Gute Nacht und baldigen Erfolg!

Autor: Stanko T. (newie)
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Ach ja,

100 Hz sprechen für die Röhre!

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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> Ok. Glauben tue ich auch nicht. Wir sind ja nicht in der Kirche ;-) aber
> machen tue ichs. Aber warum ist das notwendig? Ich meine die Versorgung
> ist ja glatt.
>
> Was meinst du mit masse fläche? Ich habe beim AD538 Dip, bei TL074 werde
> ich in zukunft SO nehmen... ich schreibe morgen abend obs funktioniert
> hat.
Massefläche bedeutet, daß eine Seite der Platine durchgehend mit Kupfer 
beschichtet ist und dort Massepotential herrscht.
Die Massefläche hat eine geringe Induktivität, so daß die Fläche auch 
für HF-Störungen niederohmig ist. Im Endeffekt geht es darum, daß 
überall dasselbe Bezugspotential genutzt wird - auch bei HF.

Aber das ist bei Dir wahrscheinlich nicht das Problem. Ich habe schon 
Schaltungen zur Verstärkung von Ultraschallsignalen (etwa 10..100µV, 
4MHz)aufgebaut, die auch ohne Massefläche funktioniert haben.


Gruß,
  Michael

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Stanko T. schrieb:
> Ach ja,
>
> 100 Hz sprechen für die Röhre!

Oh ja! Das stimmt natürlich! Da können sie auch herkommen. Allerdings 
erklärt beides nicht, weshalb man dort vorwiegend Spikes sieht und dann 
lange nichts.

Autor: Stanko T. (newie)
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Michael Lenz schrieb:

>Allerdings
>erklärt beides nicht, weshalb man dort vorwiegend Spikes sieht und dann
>lange nichts.


Eventuell weil er den PSD mit dem Oberkörper/Kopf während der Messung 
abschattet.

Autor: Michael (Gast)
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Hallo Wiehnachtsmann!

Es fällt auf, dass der Rauschanteil von der Signalstärke abhängt (Gelbe 
Kurve: Rauschband ist bei höheren Signalpegeln breiter). Könnte es nicht 
sein, dass du das Laser-Rauschen misst? Was ist es denn für ein Laser? 
Kantenemitter? VCSEL? Wellenlänge?

lG, Michael.

Autor: Weihnachtsmann (Gast)
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Vielen Dank für die vielen Antworten. Also erstmal zu der Röhre. Das 
Problem ist mir bekannt. Hier sind nur Glühlampen (jaja ich weiß 
Energiesparen und so ;-))

Ich habe den PSD natürlich auch mal abgedeckt. Ändert nichts. Auch der 
Laser ist Schuld. Tritt auch sonst auf. Ist übrigens ein ganz normaler 
Diodenlaser.

Das Rauschen ist nicht signifikant vom Signal abhängig. Ob Laser oder 
kein Laser, oben oder untenm, ist immer das gleiche. Das sieht nur so 
aus als würde es mehr rauschen, weil ich den Laser an den entsprechenden 
Stellen langsamer bewegt habe.

Da die Schaltung mit 5V betrieben werden soll, muss ich sowieso Step-Ups 
verwenden. Da verwende ich natürlich dann auch entsprechende Glättung so 
wie im Datenblatt angegeben. Wäre aber aufwand, erst auf 15V zu gehen 
und dann wieder auf 13V^^

Heute abend baue ich Elkos und Keramik ein.

Gruß

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo,

> Da die Schaltung mit 5V betrieben werden soll, muss ich sowieso Step-Ups
> verwenden. Da verwende ich natürlich dann auch entsprechende Glättung so
> wie im Datenblatt angegeben.
wahrscheinlich wird es auch mit Step-Up-Wandlern gehen.

Für Prototyping gilt aber eigentlich der Grundsatz:
Erst alle vermeidbaren Fehlerquellen ausschließen, dann schauen, ob der 
Sensor an sich funktioniert und dann die Fehlerquellen (Step-Up-Regler 
u. ä.) nacheinander hinzuschalten und schauen, was sich verändert.

>Wäre aber aufwand, erst auf 15V zu gehen und dann wieder auf 13V^^
Ja, etwa 3-5 Bauteile im Wert von zusammen 50ct mehr. Das ist für 
Prototypen gerade noch so zu verkraften ;-)
Für eine Serienproduktion sind die Überlegungen natürlich ganz anders.
Doch auch da fängst Du mit einer Lösung an, die nach menschlichem 
Ermessen  immer geht.

> Heute abend baue ich Elkos und Keramik ein.
Ich bin ja mal gespannt.

Gruß,
  Michael

Autor: martinm (Gast)
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Komische Diskussion das hier.

Ich würd  doch mal vorne anfangen und schauen:
wie sehen überhaupt  u1 und u2  aus?
haben die auch schon 100mV  Rauschen, oder
sind die sauber?

Ich kann mir nicht vorstellen  daß die sauber
sind, die  ADD Schaltung   ist ja nun ein Klassiker
und sollte funktionieren.

Ich kenn mich  mit Photodioden nicht so aus,
aber ich meine daß  man sie  mit einer Sperrspannung
betreiben sollte.    Hier  ist  die Diodenspannung 0V.

Servus

Martin

Autor: Ulrich (Gast)
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Die Fotodiode kann man auch ohne Vorspannung betreiben. Das sollte sogar 
etwas weniger Rauschen ergeben. Der Vorteil von der Vorspannung ist, das 
man weniger Kapazität der Diode hat, und damit mehr Bandbreite. Wenn man 
hier auf 100 kHz kommen will, sollte man mit Vorspannung arbeiten.

Je nach größe des PSD könnte kapazität zu groß sein für die 
Transimpedanzverstärker.

Autor: Kurt K. (hardi)
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Hallo,
evt. klingeln die Opamps. Falls das so ist, kann man das entweder mit 
kleinen Widerständen (10R-50R) am Ausgang abstellen oder mit einem 
kleinen Kondensator im Rückkopplungszweig (50p). Oder beides... Die Rs 
sollten aber sehr direkt am Ausgangspin sitzen, nicht erst am Ende der 
Leitung. Wichtig ist bei Opamps immer, dass die nur sehr wenig 
kapazitive Last sehen, auch wenn sie das nach Datenblatt angeblich 
abkönnen.
Ein Foto des Aufbaus wäre hilfreich...
Grüße,
Kurt

Autor: Weihnachtsmann (Gast)
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Hallo,

komme leider nicht mehr dazu irgendwas zu löten heute abend. Naja dann 
morgen.

Ich habe keine Vorspannung, da laut Datenblatt sich dadurch in der Tat 
das Rauschen erhöht. Es geht von 90 pA bei 0 V auf so 700 pA bei 10V 
(maximal dürfen da aber nur 5V ran). Im Gegenzug verringert sich die 
Kapazität von 100 pF auf so 60 pF. Mal schaun vllcht mache ich das 
irgendwann mal.

Wie berechne ich aus der Kapazität die Bandbreite bzw. die Dämpfung?

Ich meine das ist ja irgendwie umgekehrt wie ein Kondensator, weil es 
eine Spannungsquelle ist oder?

Ich werde auch weitere Rauschdaten liefern, sobald ich die Stabilisation 
mit den Kondenstoren gemacht habe.

Der PSD ist in der Tat groß (ca 3cm), aber warum hat der 
Transimpedanzverstärker damit Probleme?

Gruß

Autor: Herr_Mann (Gast)
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hallo,

ohne jetzt den beitrag bis zum letzten gelesen zu haben,
wilde RAUSCHSCHWINGUNGEN hatte ich auch schon mal bei einer 
OpAmp-Schaltung.

Die ursache waren fehlende
ABBLOCKKONDENSATOREN
100nF
direkt vom Plusbeinchen zum Minusbeinchen.

Durch Anbringen selbiger Cs war der ganze Spuk vorbei und alles lief, 
wie es sollte.
Waren übrigens auch TL07xer.

Ein anderes mal hatte ich Rauschprobleme trotz Abblock-Cs, nach ewigem 
Suchen und Rumprobieren stellte sich heraus, das das Rauschen nach
STERNFÖRMIGEM MASSENAUFBAU
zum Minuspol des Siebelkos hin verschwunden war.

Autor: Herr_Mann (Gast)
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PS:
Analogmasse und Digitalmasse getrennt?

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo,

> Ich habe keine Vorspannung, da laut Datenblatt sich dadurch in der Tat
> das Rauschen erhöht.
Der Betrieb von normalen Photodioden bei 0V ist vollkommen in Ordnung. 
Eine Vorspannung brauchst Du nur, wenn Du die Kapazität verringern 
willst, um z. B. eine möglichst hohe Grenzfrequenz des Aufbaus zu 
erreichen.

Nur bei sogenannten Avalanche-Photodioden ist eine Vorspannung unbedingt 
notwendig. Wir sprechen hier über eine Sperrspannung in der 
Größenordnung von 100V. Das durch das Licht in der Raumladungszone 
entstehende Elektron-Loch-Paar wird durch die Spannung so stark 
beschleunigt, daß es weitere Elektron-Loch-Paare erzeugt. Das macht die 
Diode sehr empfindlich.

> Es geht von 90 pA bei 0 V auf so 700 pA bei 10V
> (maximal dürfen da aber nur 5V ran).
90pA * 9000 Ohm = 0,8µV.
Das ist herzlich wenig im Vergleich zu den Pegeln, die Du angibst.

> Im Gegenzug verringert sich die
> Kapazität von 100 pF auf so 60 pF. Mal schaun vllcht mache ich das
> irgendwann mal.
Die Arbeit kannst Du Dir sparen. Du wirst schwerlich einen Unterschied 
feststellen können. Bei der Kapazität geht es darum, die Grenzfrequenz 
nach oben zu verschieben. Wir sprechen hier jedoch von Frequenzen im 
MHz-Bereich.

> Wie berechne ich aus der Kapazität die Bandbreite bzw. die Dämpfung?
Die Photodiode ist im einfachsten Fall eine Stromquelle (nicht 
Spannungsquelle). Der Strom fließt beim Betrieb als Photodiode stets in 
Sperrichtung.

In erster Näherung kommt es auf das RC-Glied im Rückkopplungszweig an. 
Für die Grenzfrequenz gilt dann:
fg = 1/(2*pi*RC)

Bei einer genaueren Berechnung mußt Du noch die Kapazität der Photodiode 
(typisch sind etwa 100pF) und das Verstärkungs-Bandbreite-Produkt des 
Operationsverstärkers einberechnen.

Näheres steht hier:
http://www.mikrocontroller.net/articles/Lichtsenso...

Du kannst die Schaltung auch in PSpice modellieren. Dort verwendest Du 
einen TL072, eine ideale Stromquelle mit 100pF paralleler Kapazität 
(Diodenkapazität) und verschaltest sie wie bei Deiner Schaltung 
vorgenommen.

In jedem Fall definiert sich die Grenzfrequenz dadurch, daß bei dieser 
Frequenz die Amplitude des Ausgangssignals nur noch etwa 71% (1/sqrt{2}) 
der Amplitude von 0 Hz ist.



Gruß,
  Michael

Autor: Weihnachtsmann (Gast)
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Hallo,

also ich habe von Plus auf GND und Minus auf GND je einen Elko mit 470 
µF und einen Keramik Kondensator mit 22 nF gelegt. Einfach direkt vor 
den Ausgang von dem TL074. Hat schon sehr viel gebracht, das Rauschen 
ist fast weg!!! Bei einem Neudesign werde ich sehr darauf achten.

Mein Plan ist folgender: Die Step-Ups entsprechend dem Datenblatt 
glätten. Dann war die Empfehlung doch 100 µF und 100 nF an jeden OPV 
oder? Mehr schadet nie oder?

Was für Empfehlungen gibts noch? In ein Alugehäuse kommt natürlich 
alles. Alles was rausgeht wird durch geschirmte Kabel laufen.

Die Anwendung der Formel für die Grenzfrequenz verstehe ich noch nicht.

Eigentlich gilt doch für den Kapazitiven Widerstand: r=1/(2*Pi*f*C). 
Wenn man sich also überlegt dass die Kapazität zunimmt, wird der 
Widerstand kleiner. Das muss aber für Stromquellen wie Fotodioden doch 
anders sein oder? Ich meine sonst würde man ja durch eine kleinere 
Kapazität einen höheren Widerstand haben (bei gleicher Frequenz 
natürlich), damit würde das Signal bei größerer Frequenz immer schwächer 
durch gelassen. Also wie gesagt das ist mir noch nicht ganz klar.

Ansonsten vielen Dank für die Hilfe. Ich studiere Physik, und da gibt es 
prinzipiell wenig praktische Hinweise was man mit dem gelerntem anfangen 
kann.

Dankeschön und Gruß

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo,

> also ich habe von Plus auf GND und Minus auf GND je einen Elko mit 470
> µF und einen Keramik Kondensator mit 22 nF gelegt. Einfach direkt vor
> den Ausgang von dem TL074. Hat schon sehr viel gebracht, das Rauschen
> ist fast weg!!! Bei einem Neudesign werde ich sehr darauf achten.
Ja, sowas ist übliche Praxis. Den Elko brauchst Du nur einmal auf jedem 
Board. Nur die Keramikkondensatoren brauchst Du bei jedem IC.

> Mein Plan ist folgender: Die Step-Ups entsprechend dem Datenblatt
> glätten. Dann war die Empfehlung doch 100 µF und 100 nF an jeden OPV
> oder? Mehr schadet nie oder?
Ich hatte vorgeschlagen, daß Du nach dem Step-Up-Wandler noch einen 
Linearregler (78XX und 79XX, XX ist die Ausgangsspannung) verschaltest. 
Das vermindert die Störungen, die durch den Stepup-Regler kommen.
Nur darauf bezog sich die Empfehlung 100µF || 100nF.

Wenn Du nur den Stepup-Regler verwendest, verschalte ihn wie im 
Datenblatt und spendiere jedem IC 100nF von V+ gegen Masse und von V- 
gegen Masse.
Die Elkos brauchst Du nur einmal pro Board. Sie wirken ohnehin nur bei 
niedrigen Frequenzen.

Mehr Kondensatoren können theoretisch schon schaden. 
Keramikkondensatoren sind Wirklichkeit LC-Serienschwingkreise, die ab 
der Resonanzfrequenz induktiv werden.
Wenn Du zwei verschiedene Kondensatoren parallelschaltest, so gibt es 
Frequenzen, bei denen der eine Kondensator noch kapazitiv ist und der 
andere schon induktiv. Der Aufbau ist für diese Frequenzen insgesamt ein 
LC-Parallelschwingkreis. Bei Resonanz hat dieser eine hohe Impedanz.
Das heißt, für manche Frequenzen ist eine solche Anordnung hochohmig; 
Störungen im Bereich dieser Frequenzen werden durch die Kondensatoren 
nicht ordentlich gefiltert.
Wenn Du einen Elko für's gesamte Board (beide Versorgungsspannungen 
gegen Masse) und zusätzlich einen Keramikkondensator für jeden IC nimmst 
(beide Spannungsversorgungen), bist Du fast auf der sicheren Seite.
100nF Keramikkondensatoren sind für fast alle Bastelanwendungen eine 
gute Wahl. Ausnahmen gibt es bei steilflankigen Taktsignalen - da muß 
man evtl. genauer hinsehen.

> Was für Empfehlungen gibts noch? In ein Alugehäuse kommt natürlich
> alles. Alles was rausgeht wird durch geschirmte Kabel laufen.
Das wichtigste für Deinen Anwendungsfall ist:
- Massefläche anlegen (sofern Du ein richtiges Leiterplattenlayout 
machst)
- sonst: sternförmige Masseverlegung, um Brummschleifen zu vermeiden

Bei den geschirmten Kabeln ist zu beachten:
- Ist der Schirm Teil der Leitung (d. h. der "Rückleiter" wie beim 
BNC-Kabel), so gehört die Schirmung auf die Massefläche geklemmt und 
nicht direkt an das Gehäuse! Die Schirmung des BNC-Kabels sollte also 
nur indirekt über die Massefläche mit dem Gehäuse verbunden sein.

Der Grund ist, daß die elektromagnetische Welle auf der Leitung dann 
entlang des Kabels bis zum Board kommt. Sonst müßte das E-Feld vom 
Innenleiter des Kabels "quer durch die Luft" zum Gehäusedeckel 
verlaufen.

- Ist der Schirm nicht Teil der Leitung, so kommt er direkt ans Gehäuse

Ein geschirmtes Gehäuse brauchst Du aber für diese niederfrequenten 
Sachen eigentlich nicht.

> Eigentlich gilt doch für den Kapazitiven Widerstand: r=1/(2*Pi*f*C).
Der Transimpedanzverstärker (Stromverstärker für den Diodenstrom) hat 
den Eingangswiderstand 0. Die Energie, die den Strom über das R im 
Rückkopplungszweig bewegt, stammt vom OPV und nicht etwa von der 
Eingangsquelle. Am (-)Eingang des Verstärkers herrscht Massepotential.


Gruß,
  Michael

Autor: Weihnachtsmann (Gast)
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Also wenn ich das richtig mit der Massenplatte verstehe, so nehme ich 
eine große Fläche. Zum Beispiel einen Rand der Platine. Müssen dann alle 
Kontakte an eine Stelle auf dieser Platte, oder können die darüber 
verteilt sein?

Ansonsten werde ich eine Euro Platine verwenden. Kommt noch mehr drauf, 
aber Platz sollte genug sein.

Gruß

Autor: Weihnachtsmann (Gast)
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Ach ja noch ne Frage: gibts irgend einen Tip für Step Ups? Ich verwende 
gerade einen MC34063A. Der funktioniert leider im Moment noch nicht.

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo,

> Also wenn ich das richtig mit der Massenplatte verstehe, so nehme ich
> eine große Fläche. Zum Beispiel einen Rand der Platine.
Ja, richtig. Bei den geätzten SMD-Platinen ist es meist die Rückseite. 
Auch die unbenutzten Flächen auf der Vorderseite behalten ihr Kupfer und 
werden mit der rückseitigen Massefläche verbunden.

> Müssen dann alle
> Kontakte an eine Stelle auf dieser Platte, oder können die darüber
> verteilt sein?
Der Clou bei der flächigen Masse ist der, daß die Verbindung sehr 
niederohmig (vor allem niedrige Induktivität) ist und man somit bis zu 
sehr hohen Frequenzen nicht darauf achten muß, an welcher Stelle man die 
Kontakte anschließt.
Bei einer durch Drähte realisierten Masse ist es vorteilhaft, die 
Masseverbindungen sternförmig zu den einzelnen ICs aufzubauen, um 
Masseschleifen zu vermeiden.

> Ansonsten werde ich eine Euro Platine verwenden. Kommt noch mehr drauf,
> aber Platz sollte genug sein.
Wenn Du eine Platine ätzen läßt, geht das mit der Massefläche sehr 
einfach.

Gruß,
  Michael

Autor: Ulrich (Gast)
Datum:

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Wenn man an einen Transimpedanzverstärker eine relativ große Kapazitive 
Quelle, so wie die 100 pF der Fotodiode anschließt, neigt der 
Transimpedanzverstärker zum schwingen. Die Kapazität bildet mit dem 
Widerstand in der Rückkopplung einen Tiefpaß. Wenn die Frequenz dieses 
Tiefpasses bei weniger als dem Verstärkungs-Bandbreitenprodukt der OPs 
liegt wird der OP leicht anfangen zu schwingen.
Hier hat man etwa R*C = 10 K * 100 pF = 1 µs. Das ist gerade in der 
falschen Größenordnung. Wenn die Schaltung noch nicht ganz schwingt, 
wird man ein längeres nachschwingen an steilen Flanken kreigen.

Als Abhilfe kann man durch einen Widerstand (z.B. 100 Ohm) vor dem 
Eingang dafür sorgen das die Kapazität nicht so gesehen wird. Dadurch 
kreigt man aber einen Tiefpass für das Nutzsignal. Die zweite 
Alternative ist ein Kondensator in der Rückkopplung, was aber auch die 
Bandbreite begrenzt.

Für Sensoren mit so großer Kapazität ist der OP als 
Transimpedanzverstärker vermutlich nicht mehr die beste Wahl.

Autor: Ulrich (Gast)
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Mit 100 kHz Bandbreite wird das mit dem Sensor ohnehin kaum etwas 
werden:
Der Widerstand zwischen den Enden liegt bei rund 150 kOhm. Von der Mitte 
als noch 75 kOhm bis zum Rand. Zusammen mit der Kapazität in der 
Größenordnung 100 pF wird das einfach zu langsam. Angegeben ist eine 
Zeitkonstante (Rise Time) von typisch 20 µS. Da sollte man froh sein, 
wenn es bis 10 kHz geht.

Autor: Weihnachtsmann (Gast)
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Was kann man den statt einem OPV als Transimpedanzverstärker nehmen, 
wenn der nicht mehr ideal ist?

Wegen der Rise Time von 20 µs: Es wird sich im Schwingungsanalyse 
handeln. Und die Schwingungsamplituden sind im Hochfrequenten Bereich 
nicht so groß. Von daher ist die Slew Rate (in V/µs) bzw. die Rise Time 
(von 10 - 90% in s) nicht so relevant. Das sind allerdings eher 
qualitative Aussagen, die ich überschlagen habe und noch nicht genau 
nachgerechnet habe.

Ansonsten wäre zu anfang eine Bandbreite bis 20 kHz auch ok. Ich möchte 
nur nichts aufbauen, was eine Bandbreite bis 100 kHz systematisch 
ausschließt. Das sollte einfach eine weitere Option sein.

Ansonsten irgendwelche erfahrungen mit Step-Ups? Diese Widerstände unter 
1 Ohm nerfen mich irgendwie, sowas habe ich nicht hier. Gibts sowas 
überhaupt?

Gruß

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo,

> Was kann man den statt einem OPV als Transimpedanzverstärker nehmen,
> wenn der nicht mehr ideal ist?
Der Einwand von Ulrich (Gast) ist berechtigt. Die 100kHz wirst Du mit 
diesem OPV kaum hinbekommen. Dazu ist dieser OPV zu langsam.

Seine Empfehlung lautet, daß Du Dir einen besser geeigneten OPV suchen 
sollst. Ich habe gute Erfahrungen mit dem OPA2380 gemacht, wobei ich die 
angehängte Schaltung verwendet habe.

Die Grenzfrequenz hatte ich zufällig auch auf 100kHz (statt ungefähr 
1MHz bei ausschließlicher Verwendung der Verstärkung R104) festgelegt.
Das Filter wird über R101, C112, R102 und C113 realisiert. Die Schaltung 
bildet ein Butterworth-Tiefpaßfilter 2. Ordnung. Wie Du diese Bauteile 
für eine Gleichstromtransimpedanz von R101'=9k festlegst, steht im 
Datenblatt.


- Die Zenerdiode ZD5 verhindert kurze Überspannungen auf der
  Spannungsversorgung.
- R101, C112, R102 und C113 sind das Tiefpaßfilter mit 100kHz. Du mußt
  R101 für Deine Zwecke zu 9k wählen und die anderen Bauteile 
(eigentlich
  dürfte sich nur C112 ändern) entsprechend anpassen
  (--> Datenblatt oder Tietze-Schenk)
- R104 und D1 können eine Zerstörung des Bauteils hinauszögern, wenn man
  irrtümlich "Strom" an den Ausgang anschließt (Kabel vertauscht).
  Du kannst R104 auch größer machen; z. B. 2k2. Dann wird der Schutz
  besser, allerdings kannst Du dann aufgrund des Spannungsteilers nicht
  mehr mit einem 50-Ohm-System messen, sondern nur noch mit einem
  1MEG-System (Oszilloskop). Das ist bei so geringen Frequenzen wie
  100kHz noch unproblematisch. Viel größer als 2k2 solltest Du R104
  aber nicht wählen, sonst baust Du Dir zusammen mit der Kabelkapazität
  (typischerweise 100pF/Meter) schnell einen zusätzlich wirksamen 
Tiefpaß.
- C104 ist der Entstörkondensator am OPAMP
- D2 dient zum Schutz des Spannungsreglers
- C114 ist eine Angstkapazität gegen traniente Peaks vom Ausgang 
(unnötig
  und insbesondere bei großem R104 störend)

> Ansonsten irgendwelche erfahrungen mit Step-Ups? Diese Widerstände unter
> 1 Ohm nerfen mich irgendwie, sowas habe ich nicht hier. Gibts sowas
> überhaupt?
Klar gibt's sowas. Es gibt auch noch viel weniger.
(1 Ohm) vierfach parallel geschaltet ergibt beispielsweise 0,25 Ohm. 
Milliohm kannst Du auch behelfsweise über Widerstandsdraht realisieren.


Gruß,
  Michael

Autor: Ulrich (Gast)
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Die Bandbreite wird schon durch den Detektor begrenzt sein, da hilft 
auch ein schnellerer OP nicht weiter. Die 20 µS Anstiegszeit, sollten 
nichts mit einer slew rate zu tun habe, sondern mit einer begrenzeten 
Bandbreite von etwa 10 kHz. Die ergibt sich im Wesentlichen aus dem 
relativ hohen Widerstand der Frontkontakte und der Kapazität. Ein 
Abhilfe wäre hier vor allem ein anderer Sensor, mit weniger Widerstand 
zwischen den Kontakten. Wenn es vom Messbereich paßt, auch mit weniger 
Länge. Es muss ja nicht gleich die billiger Version von Pollin sein.

Bei einer relativ hohen Intensität durch einen Laser wird man die 
Widerstände in den Transimpedanzverstärkern noch etwas verkleinern 
können. Die VErstärkung kann man dann bei der Differenz- und 
Summenbildung nachhohlen. Bei den OPs kommt es dann auch mehr auf wenig 
Spannungsrauchen und nicht mehr so sehr auf das Stromrauschen an. 
Vermutlich wäre dann sogar OPs mit Bipolaren Transistoren die richtige 
Wahl (z.B. OP27 oder OPS227 ?).

Man wird auch mit Vorspannung arbeiten müssen, damit der Spannungsabfall 
an dem Bahnwiderstand des Detektors nicht so wesentlich ist und den 
Detektor lokal in Flußrichtung bringt.

Wegen der Schaltung mit großer Kapaität sollte man sich mal LT Design 
Note 399 ansehen. Es gibt auch alternativen über Transistoren in 
Basisschaltung.

Autor: Ulrich (Gast)
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MIr ist gerade aufgefallen, das die kapazität bei den PSD gar nicht 
direkt am Eingang des Verstärkers liegt. Da ist zum größten Teil noch 
ein Teil des Widerstandes dazwischen. Damit sollte ein 
Transimpedanzverstärker schon gehen. Durch den Widestand wird das ganze 
ohnehin etwas Rauschen und ein wirklich rauscharmer Verstärker ist gar 
nicht nötig.

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