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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Reset Schaltung


Autor: Alex (Gast)
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Hallo Leute,
ich brauche etwas Hilfe. Ich arbeite gerade an einer Schaltung, die sehr 
kleine Ströme messen soll. Die Stromamplitude am Eingang ist von +-5pA 
bis +-500pA von DC bis 10 kHz. Um Rauschen zu reduzieren habe ich mich 
für C-Feedback(im Schaltplan:C1) entschieden. Da ich auch DC-Ströme 
messen will muss ich die Feedback Kapazität reseten. Und hier ist schon 
mein Problem. Wie implementiere ich die Reset-Schaltung (im Schaltplan: 
Schalter SW1 über C1)? Der Schalter sollte möglichst kleinen Leckstrom 
und niedrige Kapazität besitzen und möglichst rauscharm sein.
Reset Impuls dauert ca. 100µs und kommt nach ca. 6,5ms.
Ich habe schon an Analogschalter gedacht, aber diese haben meist eine zu 
große Kapazität.
Noch kurz zur Erklärung der Schaltung: Die Widerstände R2 und R3 sowie 
Kapazitäten C3 und C4 sollen die Parasitären Eigenschaften meines 
Sensors modellieren.

Grüße
Alex

Autor: mhh (Gast)
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Gleichstrom und C2 passt nicht.
Womit legst Du die Verstärkung fest?

Autor: Alex (Gast)
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Hi,
die erste Stufe ist ein Integrierer, die zweite ein Differenzierer. Bei 
DC-Signalen wird mit Hilfe des RESET-Schalters ein Sägezahn erzeugt. Die 
Höhe der Spannung bestimmt die Zeit toff des RESETS. Ein Sägezahn 
differenziert ergibt wider ein DC-Signal am Ausgang des Differenzierers. 
Bei AC-Signalen bestimmt die Feedbackkapazität, sowie C2 und R1 die 
Verstärkung. R1 sollte möglichst klein bleiben (Rauschen!) also stelle 
ich die Verstärkung und die Bandbreite über C2 ein. Ich hoffe es ist 
etwas klarer geworden ;-)
Grüße
Alex

Autor: mhh (Gast)
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Alex schrieb:
> Ich hoffe es ist
> etwas klarer geworden ;-)

Ähhh, nein.

DC bis 10 kHz. Blindwiderstand einer Kapazität hängt von der Frequenz 
ab. Ich sehe da noch kein Signal in brauchbarer Weise hinten rauskommen.

Autor: Alex (Gast)
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Ich verstehe nicht ganz wo das Problem ist. Aus einem DC Signal wird ein 
AC-Sägezahn der dann differenziert wider zu DC wird. Ich mach mal Morgen 
eine Simu und stelle die Ergebnisse rein ;-)
Grüße
Alex

Autor: Alex (Gast)
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Hier habe ich etwas gefunden, vielleicht hilft dir das.
Grüße
Alex

Autor: mhh (Gast)
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Ich verstehe die Idee dahinter schon. Ich sehe aus DEINER Schaltung 
nichts brauchbares rauskommen.

C1=1pF. Was ist mit den ganzen parasitären Kapazitäten der Bauelemente 
und des Aufbaus? Bei 1pF sehe ich schwarz.

DC bis 10 kHz bei -6dB pro Oktave. Den Bereich, den Du überstreichen 
willst ohne was umzuschalten, wird zu groß sein.

Autor: Alex (Gast)
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Das mit den parasitären Kapazitäten ist mir schon klar, ich kommen nicht 
drum rum die C1 zu erhöhen. Deswegen suche ich auch Schalter mit 
niedriger Kapazität.
Den Bereich bis 10 kHz zu überbrücken sehe ich das Problem nicht. Kannst 
du mir das bitte genauer erklären? Im Anhang ist die 
Übertragungsfunktion von Eingang (IG1) zum Auasgang (VF1).
Grüße
Max

Autor: mhh (Gast)
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Simulation und realer Aufbau sind schon verschiedene Sachen, vor allem 
bei so kleinen Messgrößen. Bau es auf und teste, ob es bei Wechselstrom 
20pA wirklich eine Messung ist. (Ich sage nein.)

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Diese fragwürdigen Prinzipschaltungen sollte man nicht allzu wörtlich 
nehmen:

Cd bedeutet zunächst mal für A1 eine ganz erhebliche kapazitive Last, 
die er nicht so ohne weiteres verkraften kann.

Für A3 bedeutet Cd ebenfalls nichts Gutes, da er bei hohen Frequenzen zu 
einem starken Ansteigen der Verstärkung und vor allem zu einer 
ungesunden Phase Lag in der Gegenkopplung führt.

A1 und A3 sind damit völlig instabil und die Schaltung wird dir keine 
Freude machen. Gewöhnlich schaltet man zu Cd immer noch einen 
niederohmigen Widerstand in Serie, um diese Instabilitäten zu 
vermindern.

Desweiteren kann die Kapazität Cf nur Sinn machen, wenn sie erheblich, 
also mindestens eine Größenordnung über allen Streukapazitäten liegt, 
nicht nur der des Aufbaus, sondern auch denen des Schalters S1. Ein Cf 
von 1pF ist deshalb vollkommen unrealistisch. Von der riesigen 
Störspannung durch Charge Injection in eine so winzige Kapazität beim 
Schalten einmal ganz zu schweigen.

Alex, sofern ich nichts übersehen habe, ist deine Schaltung leider 
Lichtjahre davon entfernt, zufriedenstellend zu arbeiten. Warum packst 
du denn nicht einfach einen hochohmigen Widerstand in die Gegenkopplung 
von A1 und wertest den Spannungsabfall daran aus?

Kai Klaas

Autor: Alex (Gast)
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Danke für Eure Antworten!
Wieso ich kein Widerstand als Feedback nehme ist einfach, für 200mV am 
Ausgang und 500pA am Eingang brauche ich ein Widerstand von 400MOhm. Das 
Thermische Rauschen bei einem 400MOhm-Widerstand ist außerhalb von gut 
und böse. Abgesehen von parasitären Kap bei solchen Widerständen. Was 
deine Einwände bezüglich meiner Schaltung angeht, da hast du schon 
Recht, ich muss noch einiges optimieren. Daher auch meine Frage nach 
Möglichkeiten eine Resetschaltung zu implementieren, danach würde ich 
meine Feedbackkap auslegen. Ich glaube aber, dass ich mit diesem Prinzip 
besser fahre als mit R-Feedback.

Autor: Kai Klaas (Gast)
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>Wieso ich kein Widerstand als Feedback nehme ist einfach, für 200mV am
>Ausgang und 500pA am Eingang brauche ich ein Widerstand von 400MOhm. Das
>Thermische Rauschen bei einem 400MOhm-Widerstand ist außerhalb von gut
>und böse.

Du irrst: Der Signalrauschabstand ist gerade bei großen Widerständen 
besonders günstig, da das Rauschen nur mit SQRT(R) wächst, die 
Spannungsabfall aber mit R.

>Abgesehen von parasitären Kap bei solchen Widerständen.

Die sind nicht besonders groß, gewöhnlich unter 1pF. Wenn du mehrere in 
Serie schaltest, kannst du bei geschickter Anordnung die Streukapazität 
unter 0,1pF drücken.

Kai Klaas

Autor: Alex (Gast)
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Hi, was währe deiner Meinung nach ein realistischer minimaler Wert für 
Feedbackkapazität?

Autor: Kai Klaas (Gast)
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>Hi, was währe deiner Meinung nach ein realistischer minimaler Wert für
>Feedbackkapazität?

Da die Streukapazitäten im pF-Bereich liegen, ist alles unter 10...100pF 
wohl unrealistisch. Aber dann hast du immer noch das Problem mit der 
Charge Injection. Ein normal guter Analog-Schalter wie der DG417 hat so 
um die 10pC. Das wären an einem 100pF Kondensator dann 10pC / 100pF = 
100mV!

Es gibt Trick-Schaltungen, mit denen man die Charge Injection 
eliminieren kann. Beispielsweise wird in den "+" Eingang des OPamp auch 
ein solcher Schalter eingefügt, der beim Schalten genau die gleiche 
Charge Injection erzeugt. Mit der Gleichtakt-Unterdrückung des OPamp 
heben sich dann die beiden gleich großen Störspannungen gerade auf.

So etwas klappt aber nur, wenn du das auf einem Chip aufbaust, weil du 
dann die ganzen Streukapazitäten viel besser unter Kontrolle hast. Mit 
einem diskreten Aufbau dürfte das wohl nicht so einfach klappen.

Die modernen Track-and-Hold-ADCs arbeiten nach diesem Prinzip.

Kai Klaas

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