OPA627 und TL071, und irgendwo ist der Wurm drin

[Sebastian S. (godito)]

Hallo zusammen,
ich habe eine Denkblockade bei einer Schaltung, die eigentlich schonmal 
funktioniert hat, dies aber jetzt nicht mehr tut. Es ist eine 
Sensorplatine mit 3 Photodioden für unterschiedliche 
Wellenlängenbereiche. Der PAR-Sensor (sichtbares Licht) wird mit einem 
TL071 verstärkt; das klappt solange, bis ich die beiden UV-Sensoren 
einlöte, die erst mit OPA627 und in der zweiten Stufe mit TL071 
verstärkt werden: dann stürzt die Ausgangsspannung auf -3V. Der 
UVA-Kanal funktioniert vermutlich, er zeigt mir 0V, aber ich habe keine 
UV-Quelle zur Hand zur Verifikation (morgen schon). Ich habe drei 
identische Platinen zusammengebaut, UVB spinnt immer, auf einer 
zusatzlich UVA, auf einer PAR, und auf der dritten beide.
Jetzt habe ich den UVB-Sensor abgelötet, der Eingang vom OPA627er hat 
0V, aber am Ausgang kommen trotzdem 2.6V raus. Warum? Ich hab schon den 
Kondensator C10 raus und die Widerstände, aber das ändert nichts. Den 
OPA hab ich schon ersetzt - nix, immer noch was da. Ich komme grad nicht 
weiter bei der Fehlersuche, wäre schön, wenn mir einer einen Tip geben 
könnte. Außerdem noch eine Verständnisfrage: wenn ich eine 
funktionierende Photodiode im Kurzschlussbetrieb (Kathode am 
invertierenden Eingang, Anode auf GND) habe, dann kann doch die 
Ausgangsspannung eigentlich nicht negativ werden; warum aber doch?
Sollte jemand einen besseren Überblick über das Projekt wollen: 
http://arduino.cc/forum/index.php/topic,68925.msg665059.html#msg665059. 
Da sieht man auch die Prototypplatine, die problemlos und von Anfang an 
funktioniert hat. Ach ja, die Bauteilauswahl mag seltsam erscheinen, 
aber ich musste nehmen, was ich in Patagonien auftreiben konnte.
Ich bin dankbar für jede Hilfe, mir meiner elektronischen 
Unzulänglichkeiten bewusst und bitte diese mit Nachsicht zu behandeln.
Schöne Grüße
Sebastian

[Kai K. (klaas)]

Die Gegenkopplungscaps sind wahrscheinlich ungeeignet. Die brauchst du, 
um die "phase lag" in der Gegenkopplung durch eine geeignete "phase 
lead" zu kompensieren. Je nach Detektorkapazität gehen deshalb nur ganz 
bestimmte Caps in der Gegenkopplung. Sind die zu klein oder zu groß, 
fängt die Schaltung an zu schwingen. Und allzu große Detektorkapazitäten 
lassen sich eventuell sogar garnicht kompensieren.

Also, probiere der Reihe nach verschiedene Kapazitäten durch, mit ganz 
klein anfangend. Ich würde mal mit einer Simulation eine 
Phasenganganalyse machen. Kennst du die einzelnen Detektorkapazitäten?

[Sebastian S. (godito)]

Danke für die schnelle Antwort.
Der PAR hat 580 pF, der UVA 60-80 pF (je nach Datenblatt) und der UVB 
195 pF.
Wenn es daran liegt, erklärt es dann auch, warum es im Prototypen 
geklappt hat? Das Layout dort war ganz anders und vielleicht haben die 
Leitungsbahnen bei so kleinen Kapazitäten einen Unterschied gemacht?!

[Kai K. (klaas)]

>Wenn es daran liegt, erklärt es dann auch, warum es im Prototypen
>geklappt hat? Das Layout dort war ganz anders und vielleicht haben die
>Leitungsbahnen bei so kleinen Kapazitäten einen Unterschied gemacht?!

Ja.

Du solltest der Platine eine durchgehende Massefläche spendieren und auf 
jeden Fall mal Entkoppelcaps für die Betriebsspannungen bei JEDEM OPamp 
vorsehen! Vielleicht ist alleine das schon der Grund.

In die Ausgangsleitungen der OPamps würde ich noch 47...100R Widerstände 
einfügen.

[Kai K. (klaas)]

Also der Par-Verstärker ist ziemlich instabil, wie die Simu zeigt. Im 
MHz-Bereich wird die "phase margin" kräftig aufgezehrt...

[Sebastian S. (godito)]

OK, dann werde ich mal 100n für die Entkopplung anfügen und mich an 
günstige Werte für die Gegenkopplung herantasten (womit würde ich sowas 
simulieren oder grob berechnen?)
Wofür die Rs in der Ausgangsleitung? Da hab ich doch schon 100ks drin, 
sind die zu groß?
Vielen Dank, jetzt weiß ich ja, wo ich nachbessern kann.

[Kai K. (klaas)]

>Wofür die Rs in der Ausgangsleitung? Da hab ich doch schon 100ks drin,
>sind die zu groß?

Ich meine die Ausgänge, die über das Kabel die Platine verlassen. Da 
solltest du 100R Widerstände einfügen. Die entkoppeln die Ausgänge von 
der kapazitiven Last des Kabels und stabilisieren die OPamps, in dem sie 
verhindern, daß zusätzlich die "phase margin" angeknabbert wird.

Die 100k Widerstände, die du meinst, sind ein wenig sinnfrei. Hier 
solltest du sowieso Spannungsteiler einsetzen, die vermeiden, daß der 
"common mode input voltage range" der TL071 überschritten wird. Oder 
gleich IORR-OPamps einsetzen (z.B. TLV2371, o.ä.).

Für optimale Stabilität wäre beim Par-Verstärker 100p in der 
Gegenkopplung besser, wie die Simu zeigt. Oder du machst die 
Gegenkopplung deutlich hochohmiger. Allzu niederohmige Gegenkopplungen 
können die Stabilität von TIAs drastisch verringern!

[Kai K. (klaas)]

C9 beim UVA-Verstärker kann man lassen. C10 beim UVB-Verstärker würde 
ich auf 100...220p verkleinern.

IC1 und IC4 würde ich deutlich niederohmiger beschalten. So große 
Widerstände machen die ganze Schaltung nur unnötig empfindlich für 
Streukapazitäten und kapazitives Ein- und Überkoppeln.

[Name... (Gast)]

Kai Klaas schrieb:
> wie die Simu zeigt

Kurze frage am Rande...

Wie heißt die Software mit der Du die Simulation gemacht hast?

Vielen Dank

[John H. (karabka)]

Das sieht nach Texas Instruments' TINA aus.

LG,
John

[Klaus D. (kolisson)]

Irgendwie bin ich froh dass es dich "Kai Klaas" wieder gibt.

Gruss klaus de Lisson

[Sebastian S. (godito)]

Wir haben hier ein Verständnisproblem (denn wir sind alle Biologen): 
warum ist die Frequenz ein Thema? Wir verstärken doch eigentlich ein 
(relativ) konstantes Signal (nämlich Licht und UV). OK, hier im Labor 
haben wir sicher eine 50Hz Schwingung von der Beleuchtung (die hab ich 
mit meinem Prototypen auch aufgelöst), aber inwieweit schwingt denn in 
meinem Aufbau was? Und wenn was schwingt, dann ist es durch die Wahl der 
Komponenten bedingt und nicht von außen induziert, oder? Oder sprechen 
wir davon, dass wir diverse Signale einfangen (Radio, WLAN usw.)?
Vielen Dank und schönen Gruß

[Kai K. (klaas)]

>Irgendwie bin ich froh dass es dich "Kai Klaas" wieder gibt.

Danke für die freundlichen Worte.

>Wir haben hier ein Verständnisproblem (denn wir sind alle Biologen):
>warum ist die Frequenz ein Thema? Wir verstärken doch eigentlich ein
>(relativ) konstantes Signal (nämlich Licht und UV).

Wenn du das mit einem Verstärker machst, der bis 3MHz hinauf verstärken 
kann, dann muß die Schaltung auch bis 3MHz stabil arbeiten.

>...aber inwieweit schwingt denn in meinem Aufbau was?

Einer der OPamp schwingt, weil er nicht richtig beschaltet wurde.

>Und wenn was schwingt, dann ist es durch die Wahl der
>Komponenten bedingt und nicht von außen induziert, oder?

Das ist durch die Wahl der Komponenten bedingt, kann aber durchaus von 
außen induziert werden. Letztlich genügt schon das Eigenrauschen oder 
der Einschaltvorgang um eine instabile Schaltung zum Schwingen zu 
bringen. Auch der Anschluß eines Kabels oder das Berühren mit einem 
Meßinstrument, kann spontan eine Schwingung auslösen, die munter 
weitergeht, selbst wenn der Auslöser wieder weg ist.

>Oder sprechen wir davon, dass wir diverse Signale einfangen (Radio, WLAN
>usw.)?

Das kann natürlich zusätzlich passieren, auch wenn die Schaltung stabil 
aufgebaut wurde. Dann hast du kapaztives Einkoppeln von Netzbrumm, etc. 
Ganz fies ist Handystrahlung, weil die bei ganz hohen Frequenzen 
arbeitet, bei der man oft nur schlecht filtern kann. Dann werden 
HF-Signale an Bauteileunlinearitäten demoduliert und in dein 
Nutzsignalband heruntergefaltet.

Für störungsfreien Betrieb muß die Schaltung erst einmal stabil 
arbeiten. Dazu macht man in der Regel eine Phasenganganalyse. Dann muß 
man die Schaltung abschirmen und filtern. Dabei hilft es, wenn die 
Bauelemente möglichst niederohmig gewählt sind, weil dann das kapazitive 
Ein- und Überkoppeln um so schwieriger geht.

[Michael K. (Gast)]

Treibst Du mit deinen OP Ausgängen evtl. auch noch weitere kapazitive 
Lasten? Z.b. noch einen 10nF am AD-Eingang? dann neigen die OPs auch 
gerne mal zum schwingen...

[Sebastian S. (godito)]

Nein, nach dem TL071 gehts direkt in den AD, da ist kein Kondensator 
mehr mit dran.

[Sebastian S. (godito)]

Und noch was: wenn ich die Rückkopplungswiderstände und den Sensor 
rauslöte, hab ich am invertierenden Eingang 0V, am Ausgang aber 2.3V. 
Meine Spannungsversorgung ist nicht exakt symmetrisch (+5.2, -4.7V), ist 
das der Grund?

[Kai K. (klaas)]

>Und noch was: wenn ich die Rückkopplungswiderstände und den Sensor
>rauslöte, hab ich am invertierenden Eingang 0V, am Ausgang aber 2.3V.

Wenn du das machst, hast du überhaupt keine funktionierende Schaltung 
mehr. Dann kannst du auch gleich mit einem großen Hammer auf die Platine 
hauen...

Hast du die Schaltung so modifiziert, wie ich es vorgeschlagen habe?

Kann es sein, daß du die Versträker völlig übersteuerst? Hast du 
berücksichtigt, daß die Ausgänge im Übersteuerungsfall nicht bis +5V 
bzw. -5V gehen, weil deine OPamps keine Rail-to-Rail-Typen sind?

[Sebastian S. (godito)]

Kai Klaas schrieb:
> Wenn du das machst, hast du überhaupt keine funktionierende Schaltung
>
> mehr. Dann kannst du auch gleich mit einem großen Hammer auf die Platine
>
> hauen...

Daran habe ich auch schon mehrfach gedacht... Aber im Ernst: wenn ich 
GND am Eingang hab und also kein Signal, sollte ich dann nicht 0V am 
Ausgang haben (oder halt nur die Offsetspannung)?
Ich habe die caps getauscht, die Freiflächen mit GND verbunden und auch 
einige Stützcaps reingefummelt, aber es ist nicht besser geworden. Die 
TLs sind jetzt über 2M2 und 220K geregelt.
Außerdem hab ich grade den UVB-Sensor auf einem Breadboard mit einem 
OPA627 (DIL) verdrahtet und mit einem 1M und 100pF rückgekoppelt (wegen 
Deiner Bemerkung mit übersteuern). Es geht prinzipiell schon, unter 
einer UV-B Lampe hab ich bis 0.1V gemessen. Ich werde wohl am Wochenende 
mal ein ganz neues Layout machen und eine neue Platine ätzen. Wie muss 
ich die Stützcaps dimensionieren damit da nix zu schwingen anfängt? 
100n?

[Kai K. (klaas)]

>Daran habe ich auch schon mehrfach gedacht... Aber im Ernst: wenn ich
>GND am Eingang hab und also kein Signal, sollte ich dann nicht 0V am
>Ausgang haben (oder halt nur die Offsetspannung)?

Bei einem invertierenden Verstärker hast du immer praktisch 0V am "-" 
Eingang, wenn du auch 0V am "+" Eingang hast. Das ist die virtuelle 
Masse. Und trotzdem kann der Ausgang jede Spannung annehmen.

>Die TLs sind jetzt über 2M2 und 220K geregelt.

Nimm mal 22k und 2,2k. Und mach an die Ausgänge von IC1, IC2 und IC4 
100R in Serie.

Nimm mal die OPA627 heraus und mache überall TL071 rein. Du könntest 
auch eventuell den MCP602 verwenden. Der braucht nur +5V und geht am 
Ausgang bis zu den Rails.

>Wie muss ich die Stützcaps dimensionieren damit da nix zu schwingen
>anfängt? 100n?

Wenn die Betriebsspannung, die zum Board geht, sauber ist, reichen 100n 
von jedem Supply-Pin zur Masse. Falls nicht, kannst du auch RC-Glieder 
nehmen: 10...100R + 100n...10µ. Aber 100n dürften eigentlich völlig 
reichen, um die Schwingneigung zu beseitigen.

Erhöhe mal ganz langsam die Intensität der Strahlung und schau dir mit 
einem Multimeter an jedem Ausgang an, wie die Spannung hochläuft. Wenn 
du ein Oszi hast, dann nimm das. Vermeide aber direktes Berühren der 
Ausgänge. Schalte einen 100R Widerstand in Serie, den du zu Testzwecken 
direkt an den jeweiligen Ausgang lötest.

Wenn du keine durchgehende Massefläche machen kannst, dann probiere 
wenigstens eine sternförmige Masseführung. Dazu machst du an jedem 
Verstärker einen lokalen Massepunkt. Damit verbindest du direkt die 
Anode der Fotodiode (oder den Masseanschluß des 
Gegenkopplungswiderstandes) und die Entkoppelcaps für diesen OPamp.

[Sebastian S. (godito)]

Hallo,
erst mal vielen Dank für die Tips. Nichts ist schlimmer, als nach einem 
funktionierenden Prototypen eine Schaltung nicht mehr ans Laufen zu 
kriegen, scheinbar nur weil die Bauteile räumlich anders angeordnet 
sind. Schön, dass man jemanden fragen kann.
Ich habe die Änderungen umgesetzt, das mit der Sternpunkterdung ist 
nicht so ganz konsequent realisiert (alles siehe Anhang). Bei einem 
genaueren Vergleich mit besagtem ersten Gerät fallen als Unterschiede 
auf, dass die Rückkopplungen zwischen Sensor und Chip lagen und alles 
etwas weiter auseinander war, aber da war die Platine auch noch ein 
kompletter Kreis. Außerdem war alles handgelötet mit SnAgCu-Draht, jetzt 
habe ich zwar handgelötet, aber Paste benutzt.
Die PAR-Diode läuft einwandfrei und geht nach Annäherung mit der 
Schreibtischlampe auf 4.8V. Da später noch ein Teflonfenster drüber 
liegt, ist das schon ok. UV-A rührt sich nicht, UV-B ist beständig am 
Poller.
Ich denke, ich habe womöglich eine elementare Grundregel der 
Platinengestaltung verletzt, kann das sein? Etwa, dass man nicht OpAmps 
überlappend auf der Ober- und Unterseite der Platine platziert? Dass man 
keine Durchführungen unter OpAmps macht? Irgend was, was man in einer 
formalen Ausbildung früh lernt, aber dem Quereinsteiger nocht so spontan 
einfällt? Soll ich echt eher zuerst eine GND-Leitung zur Platinenmitte 
legen und dann sternförmig GNDs verteilen?
Zu allem Überfluss habe ich grade auf dem Steckbrett die 
OPA627-TL071-Ketten aufgebaut und die UV-Dioden mit den entsprechenden 
Verstärkungen getestet - läuft! Mit zwei TL071ern schwingt der Ausgang 
im Dunkeln wie Harry von -3 bis 4 V (ziemlich rechteckig, 50Hz), kann 
ich aber mit 100n Stützcaps wegdrücken. Ich würde den OPA627 sehr gerne 
behalten, weil wir über sehr schwache Signale reden (einige nA) und er 
einen sehr niedrigen Offset hat.
Wo also ist das Problem?
Schöne Grüße und danke
Sebastian

[Kai K. (klaas)]

Mach mal R18, R16 und R17 aus der Gegenkopplung raus. Das muß aussehen 
wie R12, also hinter der Gegenkopplung. So wie du das gemacht hast, 
verschlimmert es die Situation!

Am Eingang von IC4 und IC1 mußt du eventuell noch einen Spannungsteiler 
hinmachen, weil die TL071 am Eingang nicht Rail-to-Rail können. Das 
kannst du später noch klären.

Das Layout schaue ich mir später an.

[Kai K. (klaas)]

Der OPA627 ist mit 16MHz und 55V/µsec sehr schnell. Das geht mit einem 
solchen Layout garnicht! Alles kreuz und quer, verwurschtelt, 
übereinander, ohne richtige Masse. Ein einziges Grausen...

Ich würde Doppel-OPamps wie den TLC277 o.ä. nehmen, um das Layout 
einigermaßen überschaubar zu machen. Und auf jeden Fall würde ich der 
Platine eine weitgehend durchgehende Massefläche spendieren, sonst 
machen die Entkoppelcaps in den Betriebsspannungszuleitungen überhaupt 
keinen Sinn. Die brauchen kürzeste Verbindungen zum Chip und zu einer 
HF-tauglichen Masse. Mit deinen "Masse-Spaghetti-Fäden" geht das 
garnicht.

Kannst du nicht wenigstens eine Massefläche auf deiner Platine 
generieren??

[Sebastian S. (godito)]

Oh sorry, das hab ich vergessen: es gibt eine Massefläche auf jeder 
Seite, aber die füge ich immer erst am Schluss ein (mein workflow ist 
mill-outlines.ulp und dann in Corel Designer noch fertig machen).
Den TLC schau ich mir mal an.

[Sebastian S. (godito)]

Hmmmm, sieht ja gut aus, der TLC. Ich habe den OPA627 aus Tradition 
genommen, weil schon ein paar Dutzend Radiometer mit dem gebaut wurden, 
aber gut, ich werde sofort ordern und umstricken.

[Simon K. (simon)]

Das ist aber keine EAGLE Massefläche per Polygon erzeugt oder?

[Sebastian S. (godito)]

Nö, ist keine. Ich kann mich dunkel erinnern, dass ich damit 
Schwierigkeiten am Anfang hatte und seitdem mache ich es am Schluss.

[Sebastian S. (godito)]

So. Immer noch ich. Eine Verständnisfrage: Wenn ich in einem 
Transimpedanzwandler den nicht invertierenden Eingang auf GND habe, dann 
müsste ich doch am invertierenden Eingang 0V messen, weil der OpAmp 
genau das doch will, oder? Wenn er das dann nicht hat, sondern 0,4 V, 
dann ist er doch wohl hinüber?
Habe jetzt große Massefläche unten und oben. Nicht besser geworden.

[Kai K. (klaas)]

>Wenn er das dann nicht hat, sondern 0,4 V, dann ist er doch wohl hinüber?

Nicht unbedingt. Das kann auch das Resultat einer Übersteuerung oder 
einer ungewollten Schwingung sein, oder das Ergebniss eines 
ungeschickten Meßvorgangs. Ich verstehe sowieso nicht, warum du immer an 
diesem "-" Eingang herummessen willst. Solange der Ausgang des OPamp 
nicht übersteuert ist, stellt sich der "-" Eingang ganz automatisch auf 
virtuelle Masse ein.

Jetzt dunkel die Fotodiode mal ab, erhöhe ganz vorsichtig die 
Lichtintensität und beobachte am Ausgang des zugehörigen OPamps, was 
sich da tut.

Hast du das hier

Beitrag "Re: OPA627 und TL071, und irgendwo ist der Wurm drin"

umgesetzt?

[Sebastian S. (godito)]

Ja, hab ich umgesetzt, zumindest die Rs versetzt. Spannungsteiler ist 
noch nicht drin.

[Kai K. (klaas)]

Noch ein Tipp: Laß mal alles bis auf einen Transimpedanzverstärkerzug 
unbestückt. Divide and conquer...

[Kai K. (klaas)]

Ich habe am Wochenende in einer freien Minute mal überlegt, wie ich die 
Schaltung machen würde:

Ich würde Doppel-OPamp (z.B. TLC277) nehmen, die 
Betriebsspannungsentkopplung mit RC-Gliedern verbessern und Tiefpässe in 
die Signalwege einfügen. R2, R3 und C2 bilden einen Tiefpaß mit rund 2Hz 
Grenzfrequenz. Für C2 reicht ein hochwertiger keramischer X7R. R2 und R3 
bilden einen Spannungsteiler, damit der nachfolgende OPamp nicht 
übersteuert wird (-> "phase reversal").

An den Ausgängen der OPamp sind 1k Widerstände und 100n (X7R) Caps. Da 
du ja nur an DC interessiert bist, ist das nicht weiter tragisch. Auf 
der anderen Seite bilden die beiden Baueile einen recht wirksamen Schutz 
gegen ESD. Deswegen sollte der 100n Cap direkt am Stecker angeordnet 
werden.

Da bei schnellen Änderungen der 100n Cap den Ausgang kurzschließt und 
der OPamp eine 1k Last sieht, ist die Entkopplungskapazität mit Elkos 
auf 100µF/10V vergrößert worden. Ich habe hier stehende Ausführungen 
genommen und sie auf die Platine hingelegt.

Viel mehr gibt es eigentlich nicht zu sagen. Ich habe mal 0805 Bauteile 
angenommen. Man erkennt, wieviel Platz sich mit einem Doppel-OPamp 
sparen läßt. Alle Bauteile liegen auf einer Platinenseite. Lediglich die 
Fotodioden sind absichtlich auf die Rückseite gelegt worden. Dadurch 
wirkt die fast durchgehende Massefläche wie eine Abschirmung. In der 
durchgehenden Massefläche sind nur Signale verlegt worden, die 
unkritisch sind und nicht unbedingt abgeschirmt werden müssen. Dadurch 
bleibt der Abschirmcharakter der Massefläche erhalten.

Um Zeit zu sparen, habe ich nur einen Signalweg geroutet und das Layout 
zwei mal kopiert. Die braunen Pünktchen sind übrigends Vias.

An den Stecker wird am besten ein Flachbandkabel angeschlossen. Beachte, 
daß immer zwischen zwei Leitungen eine Masse übertragen wird. Auf diese 
Weise können Hin- und Rückleiter keine nennenswerten Schleifenflächen 
aufspannen.

Die Ausgänge können eigentlich direkt auf die ADC Eingänge eines ATMEGA 
geschaltet werden. Dazu die ADC Eingänge am besten noch mal mit einem 
Tiefpaß aus 4k7 und 100n (X7R) schützen.

Die +/-5V Spannungsversorgung muß natürlich sauber geregelt sein. Denke 
daran, daß die hochohmigen Widerstände bei den TIAs extrem empfindlich 
auf kapaztive Einstreuungen reagieren. Die Bauteilseite schirmt man 
deswegen am besten mit ein wenig Metallfolie (Pertinaxstück, etc.) ab, 
die man gut mit Masse verbindet.