Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik OP als Impedanzwandler - Ausagng geht nicht auf Null


von Richard M. (r_a_mueller)


Angehängte Dateien:

Lesenswert?

Guten Abend,

ich möchte einen Impedanzwandler hinter eine Fotodiode schalten. Da nur 
positive Spannungen verarbeitet werden, habe ich einen 
Operationsverstärker TLC271 gewählt (außerdem hatte ich ein paar davon 
noch im Schrank). Fotodiode am positiven Eingang, Ausgang mit 0 Ohm 
rückgekoppelt auf den negativen Eingang, Betriebsspannung 12 V (single 
supply). Die Fotodiode liefert 0V (Dunkelheit) ... 0,4V. Am Ausgang 
messe ich 0.2V ... 0.4 V.

Warum kann ich nicht 0V erreichen?

Liegt es am offset? Dazu habe ich ein 25k-Poti an die Offset-Eingänge 
gelegt. Der Schleifer des Potis liegt auf der halben Betriebsspannung 
(über 2 470k-Widerstände aus der Betriebsspannung erzeugt). Damit kann 
ich bei 0V am Eingang den Ausgang zwischen 0,15 und 0,25 V verschieben. 
Die gewünschten 0 V erreiche ich dabei also immer noch nicht.

Da im Datenblatt steht, dass der Offset möglicherweise nur dann auf Null 
geregelt werden kann, wenn Bias auf "high" ist, ist der Bias-Anschluss 8 
auf Masse gelegt.

Da nur Gleichspannungen oder sehr langsame Änderungen am Eingang liegen, 
kommt kein einziger Kondensator in der Schaltung (außer im Netzteil) 
vor. Ist das OK?

Warum macht eine der einfachsten Schaltungen solche Zicken?

Um Beeinflussung durch andere Teile des Geräts auszuschließen, habe ich 
die Schaltung mal separat auf einem Stückchen Lochrasterplatine 
aufgebaut. Genau das gleiche Verhalten!

Was mache ich falsch?

Danke für Tipps, Richard

von Manfred G. (magroma)


Lesenswert?

Richard Müller schrieb:
> Die gewünschten 0 V erreiche ich dabei also immer noch nicht.

Der Spannungsteiler für den Offset scheint etwas hochohmig zu sein. Nehm 
mal 47k statt 470k.

von Kater brummt- sehr gut! (Gast)


Lesenswert?

Sicher, daß der OP überhaupt 0V am Ausgang kann ?
Laut Datenblatt: Vol = 0,17V bei Vcc = 12V d.h. bei dieser Beschaltung.
Gib dem Pin4 mal eine negative Versorgungsspannung und guck, was 
passiert.
Evtl. die Offsetkorrektur auch zwischen - und + .

=^..^= RRR!

von Yalu X. (yalu) (Moderator)


Lesenswert?

Richard Müller schrieb:
> Fotodiode am positiven Eingang

Wie hast du die Fotodiode angeschlossen? Einfach mit Kathode an GND und
Anode an den Opamp-Eingang?

> Die Fotodiode liefert 0V (Dunkelheit) ... 0,4V. Am Ausgang
> messe ich 0.2V ... 0.4 V.

Ist der Ausgang unbelastet?

Misst du am Eingang und Ausgang gleichzeitig, also mit zwei Multimetern?
Wenn nicht, wäre ich mir nicht so sicher, ob am Eingang tatsächlich 0V
anliegen, während du am Ausgang 0,2V misst ;-)

Fotodiodenverstärker werden üblicherweise als Transimpedanzverstärker
(TIA) aufgebaut, d.h. es wird der Fotostrom und nicht die Spannung
gemessen.

: Bearbeitet durch Moderator
von Richard M. (r_a_mueller)


Lesenswert?

Danke für den Tipp, damit komme ich tatsächlich auf Null. Aber jetzt 
gibt der Ausgang nur noch die halbe Spannung vom Eingang...
Weiß zwar nicht wieso, ist aber nicht so wesentlich.

von Richard M. (r_a_mueller)


Lesenswert?

Ich sehe gerade, hier sind noch weitere interessante Antworten gekommen. 
Werde ich morgen auswerten. Danke und gute Nacht!

von Yalu X. (yalu) (Moderator)


Lesenswert?

Noch etwas:

Ich würde für den Anfang die Offsetkompensation weglassen. Der
Offsetfehler des TLC271 liegt im Millivoltbereich und stört dich
wahrscheinlich kaum.

Wenn die Ausgangsspannung um 0,2V daneben liegt, hat das ganz sicher
eine andere Ursache. Diese 0,2V per Offsetkompensation zu beseitigen mag
zwar funktionieren, stellt aber eine Vergewaltigung des Opamps dar.
Dessen Eingangsstufe wird damit völlig asymmetrisch betrieben, was sich
in einer Verschlechterung seiner Parameter niederschlagen wird.

Der TLC271/2/4 kann übrigens sehr niedrige Ausgangsspannungen liefern,
wie die Messungen in diesem Betrag zeigen:

  Beitrag "Re: Konstantstromsenke - Regelteil: Hilfe bei Offsetunterdrückung OPAMP - Schaltplan!"

Die maximale Low-Aufgangsspannung ist im Datenblatt zwar mit 50mV
angegeben, jedoch wird man wahrscheinlich lange nach einem Exemplar
suchen müssen, das tatsächlich so schlecht ist.

von Richard M. (r_a_mueller)


Angehängte Dateien:

Lesenswert?

Mein Gerät ist jetzt um einen Transimpedanzverstärker herum aufgebaut, 
die Offset-Korrektur habe ich weggelassen. Statt dessen habe ich, um bei 
Fotostrom = 0 auch den Ausgang auf 0 zu bekommen, noch eine 
Hilfsspannung erzeugt (OA1), die auf den anderen Eingang des 
Transimpedanzverstärkers (OA2) gegeben wird, um dessen Ausgang auf 0 
runter kriegen zu können. Leider klappt das auch nicht ganz, ich kriege 
den Ausgang zwar ziemlich niedrig, aber eben nicht auf Null. Man kann 
mit dem Gerät zwar arbeiten, aber so ganz schön ist das Ganze noch 
nicht.
Es wäre wahrscheinlich einfacher, wenn man nicht mit single supply 
arbeiten würde, sondern eine konventionelle Plus/Minus-Versorgung nehmen 
würde. Aber gerade, weil mir anfänglich es einfacher schien, auf eine 
negative Versorgung zu verzichten, habe ich diese Variante gewählt. Wenn 
jemand sich dazu äußern könnte, würde ich mich freuen.

Gruß, Richard

von Richard M. (r_a_mueller)


Angehängte Dateien:

Lesenswert?

Mein Gerät ist jetzt um einen Transimpedanzverstärker (OA2) herum 
aufgebaut, die Offset-Korrektur habe ich weggelassen. Statt dessen habe 
ich, um bei Fotostrom = 0 auch den Ausgang auf 0 zu bekommen, noch eine 
Hilfsspannung erzeugt (OA1), die auf den anderen Eingang des 
abschließenden Differenzverstärkers (OA3) gegeben wird, um dessen 
Ausgang auf 0 runter kriegen zu können. Leider klappt das auch nicht 
ganz, ich kriege den Ausgang zwar ziemlich niedrig, aber eben nicht auf 
Null. Man kann mit dem Gerät zwar arbeiten, aber so ganz schön ist das 
Ganze noch nicht.
Es wäre wahrscheinlich einfacher, wenn man nicht mit single supply 
arbeiten würde, sondern eine konventionelle Plus/Minus-Versorgung nehmen 
würde. Aber gerade, weil mir anfänglich es einfacher schien, auf eine 
negative Versorgung zu verzichten, habe ich diese Variante gewählt. Wenn 
jemand sich dazu äußern könnte, würde ich mich freuen.

Gruß, Richard

von MaWin (Gast)


Lesenswert?

Richard Müller schrieb:
> kriege den Ausgang zwar ziemlich niedrig, aber eben nicht auf Null

Du hast bis heute offenbar nicht verstanden, daß ein OpAmp eine negative 
Versorgungsspannung braucht, um GANZ auf 0 am Ausgang kommen zu können.

Nah an 0 kommt er, wenn man einen Widerstand nach Masse schaltet, so 
dass er immer Strom liefern muss. Und es muss natürlich ein single 
supply OpAmp sein, der überhaupt an Masse messen kann.

von Richard M. (r_a_mueller)


Lesenswert?

Doch, das ist mir schon klargeworden. Deshalb habe ich ja auch nen 
TLC271, da ich dessen Datenblatt so verstanden habe, dass Ua bis auf 0 
gehen kann. Und der CA3140 kann bis 0,5 V unter der neg. 
Versorgungsspannung (bi mir also 0V) angesteuert werden, dürfte dann 
doch auch kein Ua > = ergeben?
Richard

von Richard M. (r_a_mueller)


Angehängte Dateien:

Lesenswert?

Guten Tag zusammen,
ich habe mir Eure Vorschläge zu Herzen genommen und mein ganzes Projekt 
neu aufgebaut. Kurz:
Lichtquelle (IR-LED) mit Konstantstromquelle 100 mA, Empfänger Fotodiode 
mit Transimpedanzverstärker, dessen Rückkoppelung regelbar um auf 100% 
(=1V) abgleichen zu können, regelbare Spannungsquelle um Nullpunkt 
einzustellen, beide Signale (regelbare Spannungsquelle und 
Transimp.verst.) werden addiert und auf Voltmeter gegeben.
Soweit so gut. Gerät wird mit einem Schaltnetzteil (extern) betrieben, 
Kondensatoren am Netzteil und an den Betriebsspannungseingängen des OA.
Gerät funktioniert soweit, allerdings mit Schwankungen im 0,1 V-Bereich, 
was bei drei Nachkommastellen, die das Voltmeter anzeigt, zu einer 
unruhigen Anzeige führt.
Ist der Übeltäter die KOnstantstromquelle, die vielleicht doch nicht so 
konstant ist? Ist der TID falsch dimensioniert? Ich beschreibe den 
Zusatnd nach ca. 20min Laufzeit, dann hat sich eine Temperaturkonstanz 
eingestellt.
Könnt Ihr mir freundlicherweise nochmal helfen?

von Uwe (Gast)


Lesenswert?

Tja, dann mußt du wohl herausfinden ob deine Konstantstromquelle oder 
deine Messschaltung schwingt.

von bipo (Gast)


Lesenswert?

Ein Transimpedanzverstärker (Photodiodenstrom) mit einem bipolaren OP 
(LM324) ist das zielführend?

von Richard M. (r_a_mueller)


Lesenswert?

@ bipo: Darüber habe ich mir ehrlich gesagt keine Gedanken gemacht. Das 
Bauteil lag hier noch so rum. Aber warum auch nicht? Braucht man für 
diese Anwendung einen so hohen Eingangswiderstand? Die Fotodiode soll 
doch Strom liefern?

Ansonsten kann ich hier so ziemlich Entwarnung geben. Möglicherweise 
hingen die schwankenden Anzeigen mit der über 2 Kabel angeschlossenen 
Widerstandsdekade zusammen, die in der Rückkopplung des TIV lag. Wenn 
Widerstände dort direkt eingelötet werden, hört auch die Schwankung so 
ziemlich auf.

Danke an alle Poster, Richard

Bitte melde dich an um einen Beitrag zu schreiben. Anmeldung ist kostenlos und dauert nur eine Minute.
Bestehender Account
Schon ein Account bei Google/GoogleMail? Keine Anmeldung erforderlich!
Mit Google-Account einloggen
Noch kein Account? Hier anmelden.