Hallo, ich versuche mit dem OPA847 einen Tranzimpedanzverstärker aufzubauen. Ich habe einiges Versucht bekomme aber am Ausgang der Schaltung immer nur einen konstanten Pegel von ca. 4V. Nach einer weile habe ich den OPA847 gegen einen OPA890 getauscht und nun funktioniert die Schaltung. Allerdings werde ich später die Bandbreite des OPA847 brauchen und würde daher auch gerne wissen wo der Fehler liegt. Beide OPVs sollte ja laut Datenblatt bingleich sein.
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Ich kann in deinem Schaltplan keinen Fehler finden. Was aber nicht heißt, dass der Aufbau fehlerfrei ist... Wenn ich vor diesem Problem stehen würde, würde ich als erstes 2 Dinge überprüfen: 1) schwingt die Schaltung? 2) Sind R1 und R2 wirklich 12k-Widerstände? Letzteres, da der OPA847 ziemlich hohe Biasströme aufweist (max. 40µA).
Da der Chip bei Unity-Gain nicht stabil ist, solltest du jedwege Kapazitäten in der Gegenkopplung tunlichst vermeiden. Die bloße Anwesenheit von C6, sofern sie nicht im Sub-Picofarad-Bereich liegt, ist also schon mal Murks, weil sie dir eine Noise Gain von weit unter 12 bei HF beschert. Kai Klaas
Die Widerstandswerte sind die selben wie im Bsp. des Datenblatts. C1 und C6 sind beide nicht (mehr) bestückt.
>C1 und C6 sind beide nicht (mehr) bestückt.
Dennoch können Streukapazitäten die Noise Gain bei HF auf Werte unter
12V/V drücken und den Chip unstabil werden lassen.
Mein Tipp, einen Chip verwenden, der unity-gain-stabil ist.
Kai Klaas
Deine Photo-Diode hat eine Kapazität von typ. 3 pF; das ergibt mit dm 12 kOhm-Widerstand einen Tiefpass mit ca. 4 MHz Grenzfrequenz. Ich könnte mir gut vorstellen, dass die Schaltung mit dem schnellen OPV schwingt. Evtl. hilft hier der Kondensator C1 bzw. C6, um die Kapazität der Diode zu kompensieren...
Johannes schrieb: > Deine Photo-Diode hat eine Kapazität von typ. 3 pF; das ergibt mit dm 12 > kOhm-Widerstand einen Tiefpass mit ca. 4 MHz Grenzfrequenz. Nein das stimmt so nicht, soweit ich weiß, da der Operationsverstärker durch die Rückkopplung den effektiven Widerstand vom R-C Tiefpass verändert (müsste verringert werden). Die eigentliche Grenzfrequenz ist höher. Siehe den Artikel über Helligkeitsmessung.
Johannes schrieb: > Deine Photo-Diode hat eine Kapazität von typ. 3 pF; das ergibt mit dm 12 Falsch. Zumindest wenn eine Sperrspannung von ca. 5V anliegt. > kOhm-Widerstand einen Tiefpass mit ca. 4 MHz Grenzfrequenz. Falsch. Ganz falsch.
Der OP sollte schon Unity Gain Stabil sein. Schon dann braucht man in der Regel C1 oder C6 um die Kapazität der Fotodiode zu kompensieren. Ein OP mit 40 µA Bias ist vermutlich keine gute Wahl für einen Transimpedanzverstärker. Da hat man auch ein entsprechendes Rauschen zu. Wenn es schnell sein soll, muss man die Fotodiode schon mit Vorspannung betreiben. Das weniger an Kapazität ist wichtig. So falsch ist es nicht den Rückkopplungswiderstand mit der Kapazität am inv. Eingang als Tiefpaß zu sehen. Wenn sich da zu viel Phasenverschiebung ergibt schwingt die Schaltung. Die Kapazität C1 soll gerade das vermieden, wenn der OP nicht unity Gain stabil ist geht das aber nicht so gut.
Habt ihr dann nen Vorschlag für einen Entsprechenden Verstärker der Unity Gain Stabil ist?
Bevor man nach einem anderen OP sucht, wäre die Frage angebraucht wofür das Ganze gebraucht wird. Davon hängt die Wahl des OPs, oder ggf. auch alternativem Bauteilen (einzelen JFETs oder Dual Gate MOSFETs) ab. Nach dem Dazenblatt des OPA847 kann es auch damit gehen. Die wahl bei C1 und ggf. auch das Layout wird dadurch nicht einfacher. Bei einem unity Gain stabilen OP hat man wenigstens die Möglichkeit einfach C1 groß zu machen für Stabilität, ohne unity gain muß C1 schon etwa passen - zu klein oder zu groß sind schlecht. Um Welche Frequenzen geht es, und um wechlche Intensitäten / Ströme ?
Wer einen Blick ins Datenblatt des OPA847 riskiert, findet einen interessanten Teil zum Thema "Transimpedance Design". Man findet dort den Satz: "Unity-gain stability in the op amp is not required for application as a transimpedance amplifier." Das ist allgemein natürlich nicht richtig. Man muß die Feedback-Kapazität schon geeignet wählen, damit das funktioniert. Da Cd und Cf (siehe Datenblatt) letztlich das Stabilitätsverhalten bei HF diktieren, genauer das Verhältnis beider zueinander, kann eine solche Schaltung mit dem OPA847 nur dann funktionieren, wenn Cf mindestens rund 10mal kleiner ist als Cd. Das bedeutet, daß Cf in dieser Anwendung im Sub-Picofarad-Bereich liegen muß und der genaue Wert natürlich extrem von den beteiligten Streukapazitätern des OPA847, der anderen Bauteile, sowie des Layouts abhängt. Eine andere Einschränkung bildet die Größe von Cd selbst. Da diese nämlich in Serie mit Cf liegt und mit der endlichen Ausgangsimpedanz des OPA847 eine phasendrehende Phase-Lag bildet, lassen sich größere Cd nur sehr schwer, wenn überhaupt, durch eine Phase-Lead-Kapazität (Cf) kompensieren. Mit einem OPamp, der unity-gain-stabil ist, hat man zumindest etwas mehr Spielraum, was die Wahl von Cf angeht. Das heißt aber noch lange nicht, daß die Schaltung dann eher funktioniert. Der Profi entwirft zuerst ein möglichst realitätsnahes, perfektes Layout mit reproduzierbaren Streukapazitäten und lötet später in der Testschaltung direkt auf die passiven Bauteile, auf die Fotodiode und an die OPamp-Eingänge kleine SMD-Kapazitäten, als Huckepack, um die Streukapazitäten gezielt zu vergrößern. Dabei wird der Ausgang des OPamp genauso abgeschlossen wie in der späteren Anwendung. Wer es perfekt machen will, setzt auch noch OPamps aus unterschiedlichen Produktionschargen ein. Das Ganze findet natürlich im Temperaturschrank statt, um den teilweise ganz erheblichen Einfluß der Umgebungstemperatur zu berücksichtigen. Das ist zwar sehr zeitaufwendig, aber nur dadurch gewinnt man eine Einschätzung über die Stabilitätsreserven einer solchen Schaltung. Dabei fallen oft viele Entwürfe, die am Anfang noch sehr aussichtsreich aussahen, durch. Simulationen können hilfreich sein, die Achillesferse einer solchen Schaltung zu erkennen, aber all zu sehr verlassen sollte man sich auf sie nicht. Kai Klaas
Der Verstärker soll ein Interferenzsignal welches von der Fotodiode aufgenommen wird verstärken. Das Signal ist annähernd cos-Förmig mit einer Frequenz von bis zu 10MHz. Den Fotostrom sollte im mittel bei ca 75µA und die Modulation des Signals bei ca. 4pA liegen.
> Eine andere Einschränkung bildet die Größe von Cd selbst. Da diese > nämlich in Serie mit Cf liegt und mit der endlichen Ausgangsimpedanz des > OPA847 eine phasendrehende Phase-Lag bildet, lassen sich größere Cd nur > sehr schwer, wenn überhaupt, durch eine Phase-Lead-Kapazität (Cf) > kompensieren. Also könnte es sein, dass die Schaltung mit der verwendeten Fotodiode garnicht funktioniert? > Der Profi entwirft zuerst ein möglichst realitätsnahes, perfektes Layout > mit reproduzierbaren Streukapazitäten und lötet später in der > Testschaltung direkt auf die passiven Bauteile, auf die Fotodiode und an > die OPamp-Eingänge kleine SMD-Kapazitäten, als Huckepack, um die > Streukapazitäten gezielt zu vergrößern. Dabei wird der Ausgang des OPamp > genauso abgeschlossen wie in der späteren Anwendung. Wer es perfekt > machen will, setzt auch noch OPamps aus unterschiedlichen > Produktionschargen ein. Also wird die Kapazität solange vergrößert bis es nicht mehr funktioniert? Würde mir leider zunächst nicht weiter helfen. > Das Ganze findet natürlich im Temperaturschrank statt, um den teilweise > ganz erheblichen Einfluß der Umgebungstemperatur zu berücksichtigen. Das fällt schonmal flach da ich die Möglichkeit dazu nicht habe.
@0Ger: >Der Verstärker soll ein Interferenzsignal welches von der Fotodiode >aufgenommen wird verstärken. Das Signal ist annähernd cos-Förmig mit >einer Frequenz von bis zu 10MHz. schaue dir mal das Attachment an. Im Falle eines optischen Interfenzsignales würde ich dir empfehlen den SNR durch optische Tricks anzuheben. In deinem Falle wird das Signal optisch über Verzögerungsplatten (2/Lambda, 4/Lambda) auf zwei Photodioden verteilt. Durch die Verzögerungsplatten sehen die beiden Photodioden ein um 180 Grad versetztes optisches Signal. Durch differentielle Auswertung eliminierst du 1.) deinen 75µA DC Offset 2.) alle optischen Gleichtaktstörungen also auch Umgebungslicht, Laserinstabilitätren usw. 3.) du verstärkst nur dein 5pA Signal und das eben differentiell Falls du also an der Optik noch was drehen kannst dann solltest du ernsthaft darüber nachdenken. 5pA ist eine Herausforderung. In Viewmedia.pdf Figure 1 zeigt eine optische Quadratur-Auswertung die differentiell arbeitet. Gruß Hagen
Das mit den Verzögerungsplatten wird leider nicht funktionieren, das es sich um Breitbandige Lichtquellen handelt. Momentan arbeite ich noch verstärkt an der Konstruktion. Ich hab gerade auch gemerkt dass ich mich bei Amplitude und offset vertan habe. Offset ca 50µA Amplitude ca 34µA
>Also könnte es sein, dass die Schaltung mit der verwendeten Fotodiode >garnicht funktioniert? Genau. Wobei der Unterschied zwischen deiner Fotodiode und der im Datenblatt nicht soo groß ist. >Also wird die Kapazität solange vergrößert bis es nicht mehr >funktioniert? Richtig. >Würde mir leider zunächst nicht weiter helfen. Doch, natürlich. Du mußt doch wissen, ob deine Schaltung aus einem reinen Zufall heraus funktioniert, oder stabil arbeitet. >Das fällt schonmal flach da ich die Möglichkeit dazu nicht habe. Dann nimm einen Fön. Gute geregelte Föns werden nicht heißer als 80°C und du siehst auch damit, ob die Schaltung bei höheren Temperaturen stabil bleibt oder nicht. Kai Klaas
>>Würde mir leider zunächst nicht weiter helfen. > > Doch, natürlich. Du mußt doch wissen, ob deine Schaltung aus einem > reinen Zufall heraus funktioniert, oder stabil arbeitet. Die Schaltung funktioniert ja derzeit nur mit dem OPA890 und nicht mit dem OP847. Ein Schaltungsfehler würde sich so aber als Fehlerquelle eher ausschließen lassen.
>Die Schaltung funktioniert ja derzeit nur mit dem OPA890 und nicht mit >dem OP847. Ein Schaltungsfehler würde sich so aber als Fehlerquelle eher >ausschließen lassen. Nicht unbedingt. Ich habe ja weiter oben geschrieben, daß die Streukapazitäten des Layouts erheblichen Einfluß auf die Schaltung haben können. Wenn also nur dein Layout bisher nicht vorteilhaft war, dann besteht ja noch Hoffnung. Du kannst dein Layout ja mal posten. Kai Klaas
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Im Anhang nun mal die Schaltung. Leider habe ich den Stand nicht mehr den ich als Testaufbau verwende. C4 und C5 lagen näher an der Versorgungsspannung und C6 war noch nicht im layout enthalten. Ansonsten ist das Layout identisch. Viel Danke schonmal für die ausführliche Hilfe, bevor ich es vergesse.
Laß R9 weg. Ersetze C4 und C5 durch keramische Highcaps, so 10µF/0805/X7R. Schalte in die Versorgungsspannungszuleitungen 10R/0805 Widerstände, direkt zu diesen Caps. Schalte am Stecker noch einmal 10µF//0805/X7R Caps, direkt zur Massefläche. Du hast da eine, oder? Laß C2 weg, ersetze C3 durch einen 10µF/0805/X7R Cap und schließe ihn mit kürzest möglichen Verbindungen an Pin2 an! Nicht diese lange Schlangenlinie, wie bei dir. Die Gegenkopplungsbauteile C1 und R1 sehen viel zu lange Leiterbahnen. Lege sie eventuell auf die Unterseite der Platine und verbinde sie mit den Pins über Vias. Apropos Vias: Ich sehe keine Vias! Wieviele Masseflächen hast du denn? Wieviel Lagen hat deine Platine? Achtung, vermeide Masseflächen unter C1, R1, R3, der Fotodiode und unter den Pins 2 und 6. Kai Klaas
Hier findest du ein ziemlich brauchbares Layout: http://focus.ti.com/lit/ds/slos416c/slos416c.pdf >C4 und C5 lagen näher an der Versorgungsspannung ... C4 und C5 gehören direkt an die Pins und über kleine Wärmefallen direkt an die Massefläche. Hier zählt jeder Millimeter! Kai Klaas
Dann werd ich mich mal dran machen das Layout zu überarbeiten. > Apropos Vias: Ich sehe keine Vias! Wieviele Masseflächen hast du denn? > Wieviel Lagen hat deine Platine? Die Massefläche ist alles innerhalb der gestrichelten roten linie und die Platine hat nur einen Layer.
>Die Massefläche ist alles innerhalb der gestrichelten roten linie und >die Platine hat nur einen Layer. AUTSCH!! Kai Klaas
@Kai Klaas: >Achtung, vermeide Masseflächen unter C1, R1, R3, der Fotodiode und unter >den Pins 2 und 6. Wann lässt man genau an diesen Stellen die Massefläche gezielt weg?
>Wann lässt man genau an diesen Stellen die Massefläche gezielt weg?
Wenn das Datenblatt einem das nahe legt...
Zuviel Streukapazität in der Gegenkopplung kann zu Gain Peaking und im
schlimmsten Fall zum Schwingen führen.
Es gibt aber auch Anwendungen, bei denen eine durchgehende Massefläche
auf der Rückseite der Platine erforderlich ist. Dann macht man zumindest
im zweitem und dritten Layer eine Aussparung in der Massefläche.
Kai Klaas
>Das mit den Verzögerungsplatten wird leider nicht funktionieren, das es >sich um Breitbandige Lichtquellen handelt. Was verstehst du unter "breitbandig" in deinem Fall. Optisch ist es ohne Probleme möglich mit Polarisatoren und Verzögerungsplatten zu arbeiten, egal wie breitbandig dein Signal ist. Breitband in der Optik hieße dein Signal läge von Ultraviolett bis Infrarot. Und selbst dafür gibt es Optiken die "breitbandig" genug wären. Du musst bedenken das diese Optiken im Basisband arbeiten, also bei 400 bis 1300 nm Wellenlänge. Mit Sicherheit weitaus hochfrequenter als dein egentlich auszuwertendes Signal von den par MHz die du mit dem OPA auswerten möchtest. Das was ich dir also vorschlage ist im optischen Basisband (mehrere THz) mit Verzögerungsplatten (2/Lambda) dein Lichtsignal aufzuteilen und um 180 Grad = also par Nanometer zu verzögern. Damit hast du nun zwei Signale bei denen dein Interfernzsignal mit den 4pA Amplitude um 180 Grad phasenversetzt ist, optisch wohlgemerkt. Alles was an Störungen reinkommt, wie eben dein DC Offset bestehend aus Umgebungslicht usw. wird damit schon in den Photodioden eleminiert. Damit erreicht du den besten SNR. Nur dein 4pA Nutzsignal wird durch die Elektronik vestärkt, da du ja koheränte Signale auswertest. Besser gehts kaum noch. Ließ nochmal das PDF Noisescan durch. Ich kenne eigentlich nur zwei Arten von optischen Interferometern aus Sicht der Bandbreite, Weißlicht-Interfeormetrie und Monochromatische eg. LASER basierte Interferometrie. Nur die Weißlichtverfahren würe ich als breitbandig bezeichnen wollen, auf LASER basierte Verfahren sind extrem schmalbandige Verfahren. Gruß Hagen
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Dann möchte ich gerne mal das geänderte Layout zur Diskussion stellen ... Hagen Re schrieb: > Das was ich dir also vorschlage ist im optischen Basisband (mehrere THz) > mit Verzögerungsplatten (2/Lambda) dein Lichtsignal aufzuteilen und um > 180 Grad = also par Nanometer zu verzögern. Damit hast du nun zwei > Signale bei denen dein Interfernzsignal mit den 4pA Amplitude um 180 > Grad phasenversetzt ist, optisch wohlgemerkt. Alles was an Störungen > reinkommt, wie eben dein DC Offset bestehend aus Umgebungslicht usw. > wird damit schon in den Photodioden eleminiert. Damit erreicht du den > besten SNR. Nur dein 4pA Nutzsignal wird durch die Elektronik vestärkt, > da du ja koheränte Signale auswertest. Besser gehts kaum noch. Ließ > nochmal das PDF Noisescan durch. Natürlich würde sich das machen lassen ist aber beim beabsichtigten Einsatzzweck zu aufwendig. Außerdem könnte man dann die Lichtquelle nicht mehr wechseln ohne auch die Verzögerungsplatte zu tauschen. Hagen Re schrieb: > Damit hast du nun zwei > Signale bei denen dein Interfernzsignal mit den 4pA Amplitude Wie bereits oben erwähnt habe ich mich bei amplitude und offset leider vertahn, wodurch das Signale garnicht meh so schlecht aussieht: Alfred Bert schrieb: > Offset ca 50µA > Amplitude ca 34µA
>Außerdem könnte man dann die Lichtquelle >nicht mehr wechseln ohne auch die Verzögerungsplatte zu tauschen. Naja, deine Argumentation verstehe ich nicht, es gibt breitbandige Verzögerungsplatten und ich kenne keine Interferometeranwendungen bei denen man mal eben die Lichtquelle ändert. Macht aber auch nichts, da > Offset ca 50µA > Amplitude ca 34µA das weit entfernt von den Eingangs beschriebenen 4pA liegt. Da lohnt der Aufwand ja garnicht. 4pA wäre sportlich, aber 34µA ist trivial. Allerdings könntest du einen AC-TIA benutzen der den Offset autom. entfernt (DC-Restoration-TIA), falls dein 34µA Signal sich in der Frequenz zum Offset unterscheidet. Gruß Hagen
Hagen Re schrieb: > Naja, deine Argumentation verstehe ich nicht, es gibt breitbandige > Verzögerungsplatten und ich kenne keine Interferometeranwendungen bei > denen man mal eben die Lichtquelle ändert. Nach dem was ich bis jetzt an optischen Bauteilen kenne durfte sowas nicht gerade billig sein. Interessieren würde es mich aber trotzdem hast du mal nen passenden Link dazu? Hagen Re schrieb: > Allerdings könntest du einen AC-TIA benutzen der den Offset autom. > entfernt (DC-Restoration-TIA), falls dein 34µA Signal sich in der > Frequenz zum Offset unterscheidet. Wäre nicht verkehrt. Bis jetzt hatte ich geplant das Signal erst TP zu filtern und den Offset mittels Differenzverstärker abzuziehen. Das hätte dann auch den Vorteil, dass ich das Offsetsignal auch z.B. Helligkeitsregelung verwenden könnte.
Das Layout kannst du knicken. Die Masse-Anschlüsse von diversen Bauteilen und OPAMP sind teilweise nicht mal verbunden und teilweise extrem lang. Du benötigt mindestens 2 Layer, sonst wird das nichts. Thermals würde ich erstmal generell vermeiden um das bisschen Induktivität noch einzusparen.
>Nach dem was ich bis jetzt an optischen Bauteilen kenne durfte sowas >nicht gerade billig sein. Interessieren würde es mich aber trotzdem hast >du mal nen passenden Link dazu? http://www.edmundoptics.com/onlinecatalog/displayproduct.cfm?productID=3273 Ok, das ist das preiswerteste Material und Edmund Optics ist die Blaue Apotheke im Optikbereich (hat aber alles und als Überblick was alles geht ist es geeignet) Falls du noch mehr Links haben möchtest dann kann ich sie dir noch nach reichen. Es gibt preiswertere Anbieter. Billig ist sowas natürlich nicht, das stimmt. >Wäre nicht verkehrt. Bis jetzt hatte ich geplant das Signal erst TP zu >filtern und den Offset mittels Differenzverstärker abzuziehen. Das hätte >dann auch den Vorteil, dass ich das Offsetsignal auch z.B. >Helligkeitsregelung verwenden könnte. Beitrag "Fotodiode Gleichanteil entfernen" da findest du par Schaltungen um den DC Offset zu entfernen. Ich kann dir aber auch noch mehr an Links/PDFs zu diesem Thema posten falls gewünscht. Hier http://www.imagineeringezine.com/ttaoc/r-circuits.html mit Spule im OpAmp-Feedback. Empfehle ich aber nicht da es sehr schwierig ist die richtigen Parameter zu finden. Gruß Hagen
Vorteil mit obigen Schaltungen ist eben das du den DC Offset = Umgebungslicht, der sehr groß im Vergleich zum Nutzsignal sein kann, schon vor der Verstärkung des Nutzsignales entfernst. Das verbessert das SNR. Gruß Hagen
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>Dann möchte ich gerne mal das geänderte Layout zur Diskussion stellen >... Da sind ein paar Fehler in deinem Layout. Ich würde das so machen wie im Anhang. Kai Klaas
OT: Ich habe das schon öfters gesehen, aber warum verbindet man den nichtivertierenden Eingang des Opamps nicht direkt mit Masse sondern über einen R und einen C parallel?
>OT: Ich habe das schon öfters gesehen, aber warum verbindet man den >nichtivertierenden Eingang des Opamps nicht direkt mit Masse sondern >über einen R und einen C parallel? Zur Bias-Strom-Kompensation. 40µA an 12k sind immerhin rund 0,5V. Und den Cap parallel dazu, damit das Ganze bei HF nicht instabil wird und um das Rauschen zu verkleinern. Kai Klaas
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