Hallo liebe Gemeinde,
ich habe ein Problem, bei dem Ihr mir hoffentlich einen guten Tipp geben
könnt.
Ich konstruiere gerade eine Photodiodenverstärkerschaltung, die sehr
schwache digitale optische Signale mit f ca. 1MHz erkennen und in
TTL-Pegel umformen soll.
Die Verstärkerschaltung ist zweistufig aufgbau (OP und dann Komparator)
erledigt ihren Dienst sehr zufriedenstellend. Jedoch stört die
Spannungsversorgung extrem und verschüttet das zu verstärkende Signal.
Ich habe eine Versorgungsspannung zwischen 12V und 24V zur Verfügung.
Genaueres ist noch nicht spezfiziert. Die Verstärkerschaltung benötigt
+/-5V.
Da ich eine negative Versorgungsspannung benötige, habe ich einen
Buck-Down und einen Inverter mit je einem MC34063 entsprechend dem
Datenblatt realisiert und mit dem zusätzlichen LC-Tiefpass mit 100uF und
1uH versehen. Die regeln auch sehr sauber die +5V und -5V aus. Der
betreffende Schaltungsteil zieht aus/in den beiden Spannungsquellen im
Betrieb einen Strom von ca. 10-15mA.
Jedoch erscheint trotz aller Filterei offenbar das Schalten der MC34063
als immer wiederkehrende Pulsfahne mit einem Hub von ca. +/- 50mV im
Ausgangssignal der ersten Photodiodenverstärkerschaltung. Das Nutzsignal
aus der Photodiode liegt mit etwa 50-70mV hinter der ersten
Verstärkerstufe nur knapp darüber und ist nur in den Pulspausen sauber
zu detektieren. Ebenso entstehen unschöne Störungen in der Bezugsmasse.
Natürlich sind alle lastenden Komponenten an den Versorgungsleitungen
mit Kapazitäten für eine geringe Impedanz gepuffert :). Ebenso ist die
Bezugsmasse auf der zweiseitigen Platine großflächig auf der Unterseite
durchgeführt, wodurch eine kurze Masseverbindung von jeder Komponente
zur Spannungsquelle geschaffen ist. Alle Komponentengruppen werden
einzeln über separierte Versorgungsleitungen (+/-5V) bestromt
(Sternschaltung mit Ladungsquellen im Ausgangspunkt). Mittlerweile ist
um die Komponenten der Verstärkerschaltung auf der Platine auch ein
Abschirmblech intalliert.
Daher nun meine Frage:
Da ich ein sehr weiten Eingangsspannungsbereich habe, hatte ich einen
Linearregler für die +5V-Regelung zunächst ausgeschlossen. Für eine
effektive Generierung der -5V kenne ich neben Ladungspumpen nur die
Inverterschaltung mit Induktivität.
Gibt es eine Möglichkeit die Nutzspannungen +/-5V auch anders aus dem
gegebenen Versorgungsspannungsbereich zu generieren und zwar ohne
Pulsstörungen und mit möglichst geringem Ripple bei dem angegebenen
Strom?
Wenn es keine Alternative gibt: macht es Sinn, die Schaltregler auf
+/-7V regeln zu lassen und dann die benötigten +/-5V über Linaerregler
(7805/7905) zu generieren? Ließen sich so schnelle Spannungsschwankungen
im System effektiv unterdrücken?
Höchste Priorität ist auf die Qulität der Versorgungsspannungen zu
legen. Die Effizienz ist zunächst nachrangig.
Da ich an diesem Problem gerade nicht weiter komme, wäre ich über einen
hilfreichen Tipp von euch dankbar.
Mit Gruß
Mike
Schaltregler noise mit einem Linearregler wegmachen ? Schau dir mal die
Speisespannungsunterdrueckung eines Linearregler an. Bei DC koennen das
vielleicht 60dB sein, bei 100kHz sind das noch 10dB oder sogar Null. Das
bedeutet der 100kHz dreck kommt voll durch.
Such dir einen Ultralownoise Schaltregler, der zu Beginn weg nur 5mVpp
Dreck rauslaesst. Dann einen Filter der den Rest wegmacht. Nachher ist
dann auch noch das Layout.
>Natürlich sind alle lastenden Komponenten an den Versorgungsleitungen>mit Kapazitäten für eine geringe Impedanz gepuffert :).
Damit ziehst du die hochfrequenten Störungen aber direkt auf die
Signalmasse! Besser als ein reiner Cap ist ein RC-Glied, beispielsweise
100R/47µ//100n. Wenn die Störungen weit über 1MHz gehen, kann auch ein
RLC-Filter mit 100R/10µ/47µ//100n Sinn machen.
>Wenn es keine Alternative gibt: macht es Sinn, die Schaltregler auf>+/-7V regeln zu lassen und dann die benötigten +/-5V über Linaerregler>(7805/7905) zu generieren? Ließen sich so schnelle Spannungsschwankungen>im System effektiv unterdrücken?
Kaum. Ein LM7805 hat bei 100kHz zwar noch rund 50dB
Ripple-Unterdrückung, aber viele negative Regler tun sich bei 100kHz
schon sehr sehr schwer. Besser ist es, den Ripple zusätzlich noch mit
einem wirkungsvollen LC-Filter zu bedämpfen. Wie dieser Link zeigt, ist
die Bauteilwahl dabei kritisch:
Beitrag "Re: Pi - Filter Berechnung"
Auch sollte die Switcherfrequenz nicht zu tief liegen, damit das
LC-Filter überhaupt genügend Dämpfung erzeugen kann. So um die 100kHz
sollten es schon sein.
Ich würde auch einen fertigen, kompakten DC/DC-Wandler wie diesen hier
nehmen:
http://www.reichelt.de/Wandler-Module-DC-DC/TMA-1205D/3/index.html?;ACTION=3;LA=2;ARTICLE=120452;GROUPID=4956;artnr=TMA+1205D;SID=12T-RFuX8AAAIAAHQWA@I5b64880e5dde87665905512cfe53acc8
Ich könnte mir aber sehr gut vorstellen, daß auch ein Layoutfehler für
deine großen Störungen verantwortlich sein könnte. Eine durchgehende
Massefläche kann sehr hilfreich sein. Zeig doch mal dein
Layout/Schaltplan.
Hallo Mike,
> Jedoch erscheint trotz aller Filterei offenbar das Schalten der MC34063> als immer wiederkehrende Pulsfahne mit einem Hub von ca. +/- 50mV im> Ausgangssignal der ersten Photodiodenverstärkerschaltung. Das Nutzsignal> aus der Photodiode liegt mit etwa 50-70mV hinter der ersten> Verstärkerstufe nur knapp darüber und ist nur in den Pulspausen sauber> zu detektieren. Ebenso entstehen unschöne Störungen in der Bezugsmasse.
dummerweise muß man bei Schaltreglern ein paar Klimmzüge mehr in Bezug
auf EMV machen. Kai Klaas hat ja schon vom Layout gesprochen - das wäre
hier hilfreich. Interessant ist insbesondere, wo die Ströme für die
Schaltregler auf der Massefläche langlaufen.
> Natürlich sind alle lastenden Komponenten an den Versorgungsleitungen> mit Kapazitäten für eine geringe Impedanz gepuffert :). Ebenso ist die> Bezugsmasse auf der zweiseitigen Platine großflächig auf der Unterseite> durchgeführt, wodurch eine kurze Masseverbindung von jeder Komponente> zur Spannungsquelle geschaffen ist. Alle Komponentengruppen werden> einzeln über separierte Versorgungsleitungen (+/-5V) bestromt> (Sternschaltung mit Ladungsquellen im Ausgangspunkt). Mittlerweile ist> um die Komponenten der Verstärkerschaltung auf der Platine auch ein> Abschirmblech intalliert.
Was Du probieren könntest sind zusätzliche Ferritperlen (bzw. ein
Widerstand) in den +/- Spannungsversorgungen der OPV. Den Widerstand
legst Du so aus, daß der Spannungsabfall (der letztlich ja die effektive
Versorgungsspannung am OPV verringert) ausreichend klein ist. Die
Kapazität am OPV machst Du dann so groß, daß die Grenzfrequenz des
RC-Tiefpasses ausreichend klein ist. So einen Widerstand kannst Du ja
testweise mal "reinkratzen"; wenn es nichts bringt, brückst Du die
aufgekratzte Stelle eben wieder mit einem 0-Ohm-Wideristand.
> Gibt es eine Möglichkeit die Nutzspannungen +/-5V auch anders aus dem> gegebenen Versorgungsspannungsbereich zu generieren und zwar ohne> Pulsstörungen und mit möglichst geringem Ripple bei dem angegebenen> Strom?
Wozu brauchst Du die -5V denn? Nur für die OPV? Es gibt auch
Photodiodenverstärker, die nur eine Spannungsversorgung brauchen.
Gruß,
Michael
@ Mike (Gast)
>Ich habe eine Versorgungsspannung zwischen 12V und 24V zur Verfügung.>Genaueres ist noch nicht spezfiziert. Die Verstärkerschaltung benötigt>+/-5V.
Ein TIA braucht meist keine negative Versorgung, dein Lichtsignal ist ja
auch nur unipolar.
>Da ich eine negative Versorgungsspannung benötige,
Wofür?
>Buck-Down und einen Inverter mit je einem MC34063 entsprechend dem>Datenblatt realisiert und mit dem zusätzlichen LC-Tiefpass mit 100uF und>1uH versehen.
Die Werte klingt etwas komisch. Ich hätte mehr L genommen.
>zu detektieren. Ebenso entstehen unschöne Störungen in der Bezugsmasse.
Möglicherweis auch ein Messproblem.
>um die Komponenten der Verstärkerschaltung auf der Platine auch ein>Abschirmblech intalliert.
Nütz nichts gegen leitungsgebundene Störungen.
>Linearregler für die +5V-Regelung zunächst ausgeschlossen.
Muss man nicht, gerade für die paar mA.
>Gibt es eine Möglichkeit die Nutzspannungen +/-5V auch anders aus dem>gegebenen Versorgungsspannungsbereich zu generieren und zwar ohne>Pulsstörungen und mit möglichst geringem Ripple bei dem angegebenen>Strom?
Virtuelle Masse. 10V per Linearregler erzeugen.
>Wenn es keine Alternative gibt: macht es Sinn, die Schaltregler auf>+/-7V regeln zu lassen und dann die benötigten +/-5V über Linaerregler>(7805/7905) zu generieren?
Nein, dein Störungen werden dennoch da sein.
> Ließen sich so schnelle Spannungsschwankungen> im System effektiv unterdrücken?
Es sind keine Spannungsschwankungen, sondern Störpulse vom Schaltregler,
wahrscheinlich ein Layoutproblem.
>Höchste Priorität ist auf die Qulität der Versorgungsspannungen zu>legen. Die Effizienz ist zunächst nachrangig.
Dann Linearregler 7810 + Virtuelle Masse. Geht auch mit 5V.
Hallo,
vielen Dank für die vielen Hinweise.
1. Die Idee mit dem RC-Filter in der Versorgungsleitung finde ich sehr
gut. Das wäre auf jeden Fall einen Versuch wert. Sowas habe ich bislang
nur statische analoge Datenleitungen gelegt.
2. Der nachträglicheLinearregler fällt somit in der weiteren Plaung aus.
3. Die -5V benötige ich in erster Linie für das Photodiodenfrontend.
Damit wird die Photodiode negativ vorgespannt. Als Grundlage habe ich
dafür die Designvorschläge des Herrn Hobbs genommen. Ebenso versorge ich
damit den ersten OP-Amp (TIA), das wäre aber nicht notwendig. Danach
geht es ausschließlich mit Single-Supply weiter (+5V - GND)
4. @Falk
Die LC-Werte sind zunächst dem Datenblatt-Design entnommen. Ich hatte
damit bisher recht saubere Versorgungsspannungen. Aber da kam es auch
meist nicht auf 50mV an... An eine Vergrößerung von L hatte ich aber
auch schon gedacht.
Das Schirmblech habe ich eingesetzt, da bereits ein an einen
Funktionsgenerator angeschossenes Kabel, das nicht mit der Schaltung
verbunden ist, hinreichende Störungen verursachte, um sie in der
Schaltung gut sehen zu können :( Es ging mir dabei also nicht um die
Versorgungsleitungen.
Deine Idee mit der virtuellen Masse ist super. Damit hatte ich auch
schonmal was gemacht, die Schaltung jedoch war nicht wirklich stabil.
Ist damit eine saubere Versorgungsspannung zu erwarten?
Mit Gruß und Dank
Mike
@ Mike (Gast)
>Deine Idee mit der virtuellen Masse ist super. Damit hatte ich auch>schonmal was gemacht, die Schaltung jedoch war nicht wirklich stabil.
Dann war was faul.
>Ist damit eine saubere Versorgungsspannung zu erwarten?
Man braucht keinen Schaltregler für die negative Versorgung.
Hallo nochmal,
> Höchste Priorität ist auf die Qulität der Versorgungsspannungen zu> legen. Die Effizienz ist zunächst nachrangig.
wenn Du die Aussage "höchste Priorität" erst meinst, dann möchte ich
Dich daran erinnern, daß so etwas mit einem Netztransformator und
entsprechenden Linearreglern ganz problemlos möglich ist. Aber an sich
muß es auch mit einem Schaltregler funktionieren - ordentliches Layout
vorausgesetzt.
Viele Grüße
Michael
>3. Die -5V benötige ich in erster Linie für das Photodiodenfrontend.>Damit wird die Photodiode negativ vorgespannt. Als Grundlage habe ich>dafür die Designvorschläge des Herrn Hobbs genommen.
Ach du Kacke, und mit der verseuchten -5V Spannung gehst du direkt an
die Fotodiode?? Kein Wunder, daß du dann Störungen hast...
Das klingt für mich nach der klassischen Mehrfachbaustelle. Immer schwer
den Background des Fragenden abzuschätzen. Wenn du aber schreibst,
digital und geht im Rauschen unter, dann finde ich das suspekt, denn bei
niedrigem S/N arbeiten nur Physiker mit digitalen Größen.
Nachrichtentechniker benutzen dann komplexere Modulationsverfahren.
Im Übrigen hilft eine FFT ungemein bei der Fehlersuche.
Damit wir nun keine endlosen Texte schreiben müssen, würde ich schlicht
für die Entwicklung eine Batterieversorgung und keinerlei Anbindung an
PCs vorschlagen. Damit optimierst du deinen Verstärker und danach
gehts an die Versorgung.
