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Hallo zusammen: Ich bräucht ein wenig Hilfe bei einer Verstärkungschaltung für ein Goniometermessaufbau. Bin keine Elektrotechniker, sonder Optiker.. von daher brauch ich kompetente Unterstützung :D Geht Konkret darum, dass wir die Abstrahlcharakteristik von Strahlungsquellen im MIR (2-14µm) messen wollen. Dazu hab ich einen Thermopilesensor mit einer Verstärkung von ca 100V/W (Eingestrahlte Leistung) Der Detektor ist sehr klein (muss er) und dementsprechend kommt nur sehr wenig optische Leistung auf den Detektor ==> wenige Ausgangspannung ( ca 1-100µV). Noise Voltage des Thermopiles typ. 18 nV/Hz1/2 nicht invertierte Verstärkerschaltung ist wie oben aufgebaut: Erstmal klar.. fragt man sich was mit den 10 Ohm soll?! Ja gute frage.. der Widerstand R3 ist ein Poti.. und ich musste es ganz runterdrehen damit ich überhaupt etwas messen konnte. Der untere Teil (R1 und R2) ist dazu da den Offest einzustellen, da ich a) Offset des OPV von +0.5 mV hab und b) Hintergrundwärmestrahlung der Umgebung hab. Da beides zusammen immer Positiv ist, reicht es wenn ich mit der positiven Spannung auf den Spannungsteiler R1/R2 gehe und anschließend auf den invertierten Eingang. Funktoniert auch ganz gut.. so kann ich so lange drehen bis ich 0V am Ausgang kriege (vor der Messung). Mit dieser Schaltung kann ich zwar die Abstrahlchrakteristik richtig messen, aber bei höheren Intensitäten hab ich starkes Rauschen. Mit dem Oszi scheint das ca 200 mV zu sein was mit 50 Hz schwingt. Geh ich mit einem Normalen Spannungsmessgerät hin und (stelle auf V(wechsel), dann zeigt mir das auch etwa 0.2 V. Die Spannung wird höher wenn sich die optische Leistung verändert (bewegen die Strahlungsquelle schnell) und verschwindet für kleine opt Leistungen. (Siehe Bild Ausgangssingal.. Rauschen nur in der Peak, nicht in den Flanken bzw nahe 0) Woher kommen die 50 Hz? erster verdacht liegt nahe dass es von der Versorungspannung kommt. Als Spannungsquelle verwende ich eine Karte die im PC steckt.. an diese wird auch das Ausgangsignale geschickt und anschließend das ganze über ein Labviewprogramm ausgelesen. Wenn ich mit des Oszi die Spannungsquelle messe hab ich so gut wie kein 50Hz Rauschen. Also das mir die Spannungsquelle über die Versorgungsspannung des OPV (+/-) ein Rauschen auf das Ausgangsignal gibt ist eher unwahrscheilnich bzw. der Effekt müsste gering sein. Denkbar wäre, dass die Spannung die ich durch den Spannungsteiler R1/R2 schicke zwar nur gering schwankt, aber diese kleine Amplitude durch den OPV stark verstärkt wird und mein Ausgangsignal überlagert. In der Simulation jedoch zeigt sich das nicht?! Lieg ich damit richtig? Wenn ja wie kann ich das verhindern ohne zich zusätzliches Kompoenten zu kaufen, oder andere Spannungsquelle? Ich suche eine Einfache und schnell /billige Lösung. Verstärkung in 2 Stufen? Irgendwo noch R und C einbauen? Wenn ja wie groß? Sollte ich einen andern OPV verwenden? Tipps? Woran liegt das ganz? Hab schon versucht am Ausgang eine R-C Gleid ranzubauen, aber das hat entweder keine Einfluss (kleines R) bzw. senkt mir meine Ausgangsspannung stark ab (großes R).. Auch schon eine C (4.7 µF) zwischen Spannungsteilerausgang und Ground eingebaut. Ebenfalls kein Einfluss. Und das Rauschen des Detektors wird es wohl nicht sein wenn es im nV Bereich liegt? Irgendjemand eine Vorschlag ? Bastle schon ewig dran rum..
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Hallo Dagus, die 50Hz die du misst werden aus dem 230V-Netz eingekoppelt. Die einkopplung von 50Hz ist generell ein Problem bei sehr hohen Versärkungsfaktoren. Die von dir gewählte Schaltung (Nichtinvertierender Verstärker) ist für das Verstärken von sehr kleinen Signalen mit großen Verstärkungsfaktoren nicht unbedingt die beste Wahl, da diese Schaltung eine schlechte Gleichtaktunterdrückung besitzt. Besser wäre hier ein Instrumentenversärker, denn dieser besitzt eine gute Gleichtaktunterdrückung, dh. die 50Hz einkopplungen werden unterdrückt. Du kannst natürich auch eine 50Hz Bandsperre aus RC-Gliedern einbauen, das kann aber im zweifelsfall dei Messsignal verfälschen, es kommt darauf an in welchem Frequenzbereich du gerne messen möchtest. Die 50Hz siehst du mit dem Multimeter nicht (nehmen mal an du hattest auf Gleichspannung eingestellt), da diese sich rausmittelteln (Sinus)
Der OPA337 hat eine garantierte Leerlaufverstärkung von 100dB (100.000-fach) und unter bestimmten Bedingungen eine typ. von 120dB (=1.000.000-fach). Damit kannst du keine Verstärkung von 120dB mittels äußerer Beschaltung einstellen. Die Verstärkung muss auf mehrere Stufen aufgeteilt werden.
Dagus schrieb: > wenige Ausgangspannung ( ca 1-100µV). Offsetspannung des OPA337 +-3mV (typ.+-500µV), also viel größer als dein Messsignal. Abgleich hilft da auch nicht so viel, weil der Temperaturkoeffizient der Offsetspannung mit 2µV/K vergleichsweise groß ist. Das bringt bei 120dB Verstärkung ein Ausgangssignal von 2V/K. Auch das Rauschen mit 6µVpp (0,1...10Hz) finde ich viel. Such dir einen besseren OPV.
Man benötigt auf jeden Fall einen OP mit niedrigem 1/f Rauschen sonst bekommt man nur mist heraus. Zudem sollte man auch darauf achten, das die Offsets klein sind, sonst muss man jede Schaltung mit Potis anpassen. Und Potis haben in Verstärkerschaltungen mit derartigen Verstärkungen eigentlich eher nichts zu suchen.
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Instrumentenersärker gibt es auch schon fertig als IC, da sind die OPs schon mit drin und vor allem die Widerstände (R2 und R3) müssen sehr genau aufeinander abgestimmt sein, das ist beim IA als IC schon erledigt und du musst dir nur noch die Versärkung aussuchen (meist über externe Widerstände) und ggf. den Offset abgleichen (Trimmer). Als günstiges Beispiel hätte ich den INA331 oder die Luxusvariante INA110 (Versärkerwiderstände für 10,100,200,500-fache Verstärkung schon integriert) empfohlen, gibt aber jede menge andere.
Meine Güte mit soviel Reaktion so schnell hab ich nicht gerechnet! Ich fasse eure Vorschläge zusammen: a) besseren OPV raussuchen mit geringerem 1/f Rauschen und kleinerem Offset b) Instrumentverstärkerschaltung verwenden. Ich bräuchte also einen Instrumtverstärker mit kleinem Offset? geringem Rauschen und hoher Verstärkung (max 100.000 - 1.000.000). Schafft das der INA110?
http://www.ti.com/product/ina110 der INA110 hat ein niedriges Rauschen und höheren Offset http://www.ti.com/product/opa335 der OPA335 hat ein etwas höheres Rauschen und deutlich niedrigeren Offset http://www.ti.com/product/opa227 evtl kommt noch der OPA227 in Frage. Bestell bei TI je 2 Samples (die sind kostenlos und kommen erfahrungsgemäss in wenigen Tagen) und probier es bei deinen Bedingungen aus, ggf. kannst Du ja 2-stufig verstärken.
Also die meistens INA können nur bis Gain = 1000 was mir nicht reichen wird. Was hält ihr von dem INA122? Zwei Stück davon nacheinander? Erste Stufe 10000 und zweite 100, so komm ich auf meine G = 1.000.000. Wie krieg ich den Offset weg mit nur einer positiven Spannungsquelle? Wenn ich pech hab ist der ja z.B. negativ.
Dagus schrieb: > Was hält ihr von dem INA122? > Zwei Stück davon nacheinander? Erste Stufe 10000 und zweite 100, so komm > ich auf meine G = 1.000.000. Nach einem Instrumentenverstärker brauchst du keinen Instrumentenverstärker mehr, und auch keinen mit geringem Eingangsstrom (zumindest os lange man die Rpckkopplungswiderstandswerte anpasst). Eine Verstärung von 10000 fördert immer, daß aus Verstärkern Oszillatoren werden.
wie krieg ich dann eine Verstärkung von 1.000.000 ohne zwei Stufen? Ist das mit dem Eingangstrom ein Problem wenn man zwei nacheinander schaltet? Hab jetzt jeweils 3 Samples von OPA 335 und INA122 bestellt, und würde vielleicht versuchen den INA122 direkt an den Detektor zu klemmen und die Ausgangspannung dann nochmal mit dem OPA 335 zuverstärken. Am INA122 muss ich nur noch irgendwie den Offset weggkreigen (OPV und Umgebungsstrahlung)
Einen Instrumentenverstärker braucht man eigentlich nicht - der Sensor ist bereits gegen Masse geschaltet, da ist so etwas wie PSRR nicht so wesentlich, und Gleichtaktunterdrückung nicht relevant. Die 50 Hz sind eher Einkopplungen, ggf. vom Netzteil. Wichtig ist da das Layout und die Abschirmung. Dem Rauchen von 18 nV/sqrt(Hz) nach zu urteilen hat der Sensor einen Widerstand im 50 K Ohm Bereich. Da braucht man dann schon einen OP, der auch einen kleinen Rauschstrom hat. Der OP227 oder OP27 (älter) sind vom LF rauschen gut, haben aber eigentlich zu viel Stromrauschen. Da sollte es bessere geben. Je nach Frequenz (vor allem wenn unter 1 Hz gefragt ist) die Interessiert wäre ggf. auch ein Choppper OP interessant, z.B. TLC2654, AD8628 oder gar ADA4528-1 (eigentlich zu gut). Die Verstärkung sollte man Aufteilen - nicht mehr als 100-1000 fach je Stufe, und die Kompensation des Offsets eher nach der 1. Stufen. Die 2 Stufe ist nach 100 facher Verstärkung ist schon unkritisch.
Dagus schrieb: > Ich bräucht ein wenig Hilfe bei einer Verstärkungschaltung für ein > Goniometermessaufbau. Bin keine Elektrotechniker, sonder Optiker.. von > daher brauch ich kompetente Unterstützung :D Hallo, soll der Verstärker unbedingt selber gebaut werden? Empfindliche Verstärker gibt es z.B. bei http://www.femto.de Niederfrequenz Spannungsverstärker http://www.femto.de/de/produkte/spannungsverstaerker/variable-verstaerkung-100-khz-dlpva.html
Als weitere Fehlerquelle kommt noch dein Sensor in Betracht. Solche Sensoren können durchaus schnell genug sein um auch Raumlicht zu detektieren. Wenn also dein Versuch vielleicht nicht perfekt abgeschirmt ist kann es sein, dass du ein tatsächliches Messignal hast.
Ulrich schrieb: > Je nach Frequenz (vor allem wenn unter 1 Hz gefragt ist) die > Interessiert wäre ggf. auch ein Choppper OP interessant, z.B. TLC2654, > AD8628 oder gar ADA4528-1 (eigentlich zu gut). Ich werfe mal den LTC2057 in den Raum. 0.2uVpp 170fA/sqrt(Hz) 11nV/sqrt(Hz) offset Drift 15nV/K Gruß Anja
Vergesst den Offsetstrom nicht. Der ADA4528 hast z.B. 200 pA. Mal 50 kOhm gibt das auch schon 10 uV Offset mit entsprechenden Drift...
Anja schrieb: > Ulrich schrieb: >> Je nach Frequenz (vor allem wenn unter 1 Hz gefragt ist) die >> Interessiert wäre ggf. auch ein Choppper OP interessant, z.B. TLC2654, >> AD8628 oder gar ADA4528-1 (eigentlich zu gut). > > Ich werfe mal den LTC2057 in den Raum. > 0.2uVpp > 170fA/sqrt(Hz) > 11nV/sqrt(Hz) > offset Drift 15nV/K > > Gruß Anja LMP2021 0.26 uVpp 350 fA/sqrt(Hz) 11 nV/sqrt(Hz) Offset drift 20 nV/K max. Cirrus CS3002 Open-loop Voltage Gain 300 dB typ, 200 dB min. 0.125 uVpp (1/f Grenze 0.08 Hz) 100 fA/sqrt(Hz) 6 nV/sqrt(Hz) Offset drift 50 nV/K max. oder der oben erwähnte ADA4528-1 0.097 uVpp 700 fA/sqrt(Hz) 5.6 nV/sqrt(Hz) Offset drift 15 nV/K max. Wenn es denn rein analog sein muss...
Dagus schrieb: > wie krieg ich dann eine Verstärkung von 1.000.000 ohne zwei > Stufen? Wozu - um Himmels Willen - brauchst Du eine Verstärkung von einer Million? Du schreibst, dass das Messsignal im Bereich 1µV...100µV liegt. Eine Million mal verstärkt liegt es bei 1V...100V. Was willst Du mit einem Mess-Signal von 100V? Fang bei den ersten Versuchen mal mit einer Verstärkung von 1000 an (ja, richtig gelesen: Eintausend!) und beschränke Dich auf starke Signale. 10µV * 1000 gibt auch 10mV; das kann man noch relativ leicht nachweisen. Wenn Deine Schaltung mit tausendfacher Verstärkung und starken Signalen funktioniert, kannst Du die Verstärkung schrittweise vorsichtig (!) erhöhen und Dich an kleineren Signalen versuchen.
Da es ja anscheinend Gleichsignale sind würde ich dringend empfehlen zu choppern. Dadurch verschwindet Dein Offset relativ elegant.
Umgebungslicht ist durch einen Filter (2-14 µm Pass) abgeschirmt. Zusätzlich ist die Anordnung durch eine Aluminumbox abgeschirmt von der Umgebungswärme. Signal ist Gleichstrom und sehr klein... also irgendwas 1-10µV (100 war übertrieben). Erste Test haben gezeigt das ich wohl 1.000.000 brauche um was zu messen. Wie gesagt die Messung hat schon ganz gut funktioniert nur das Rauschen war ein Problem. Ausgang brauch ich 0-5V. Innenwiderstand des Detektors 20kOhm. Cirrus CS3002 klingt ganz gut.. aber bei 0.125 µV brauch ich tortzdem Offset kompensattion... Wie kreig ich das hin mit nur einer Spannungsquelle (+5V)? Was meint ihr mir Choppern???
Bisher habe ich auch noch nicht die fuer die Messung noetige Bandbreite gelesen. Zu R4 gehoert noch parallel ein Kondensator. Und wegen des Faktors IBias * RThermopile wuerde ich eine OP mit niedrigen IBias nehmen: http://www.analog.com/en/precision-op-amps/zero-drift-low-tcvos-amplifiers/products/index.html Bei dem hohen Eigenrauschen der Thermopile muss der Verstaerker ja nicht so besonders rauscharm sein. Aber auf das 1/f Rauschen ist zu achten.
Es ist denkbar, dass du dir eine sogenannte Brummschleife gebaut hast. Schau dir mal genau die Anordnung deiner Masseleitungen an (GND). Laufen die alle sternförmig auf einen gemeinsamen Punkt zu? Das wäre der Idealzustand. Problematisch wird es, wenn im System irgendwo Schlaufen in der Masseverdrahtung sind, in die das allgegenwärtige 50Hz Wechselfeld induktiv einkoppeln kann. Und - ganz klar - die Frage: Enthält das Messsignal (Licht) vielleicht schon einen 50Hz Anteil?
Possetitjel schrieb: > Du schreibst, dass das Messsignal im Bereich 1µV...100µV liegt. > Eine Million mal verstärkt liegt es bei 1V...100V. Was willst > Du mit einem Mess-Signal von 100V? Habe ich mich auch schon gefragt. :-) Dagus schrieb: > Signal ist Gleichstrom und sehr klein... also irgendwas 1-10µV (100 war > übertrieben). Erste Test haben gezeigt das ich wohl 1.000.000 brauche um > was zu messen. Wie gesagt die Messung hat schon ganz gut funktioniert > nur das Rauschen war ein Problem. Ausgang brauch ich 0-5V. Ohne dem TO nahe treten zu wollen, aber irgendwie hat er noch nicht richtig den OP verstanden. Dagus schrieb: > Wie kreig ich das hin mit nur einer > Spannungsquelle (+5V)? Selbst bei 50 000 000 Verstärkung kann der OP mit 5 Volt, selbst r2r, nicht mal ganze 5 Volt als Ausgang schaffen.
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danke foldi für deinen sehr informativen, qualifizerenden und hilfreichen Post, bitte mehr davon. So jetzt aber mal wieder ernsthaft. Die 50 Hz kommen aufjedenfall nicht aus der Umgebung oder von der Quelle. Denkbar wäre wirklich ein Brummschleife, da ich die GND Leitung "wild" gelegt habt... war eben nur eine schnelle Testschaltung. Ich würd mich erstmal bei den zahlreichen Posts bedanken und abwarten bis die bestellen OPs da sind. Ich bau dan eine neue Schaltung auf und vielleicht klappt es dann schon! Falls nicht meld ich mich nochmal ;) Gruß Dagus
Dagus schrieb: > Falls nicht meld ich mich nochmal Der Sinn eines Forum ist der Austausch von Informationen. Es wird Dir also keiner den Kopf abreissen, wenn Du ein mehr oder weniger detailiertes Feedback schreibst, das umschreibt, wie Du Dein Problem gelöst hast.
> Dagus schrieb: > Was meint ihr mir Choppern??? Hallo, das hat nur ein! User Ch. Berger vorgeschlagen. Ich würde das Konzept aber auch sehr empfehlen. Ich entwickle optoelektronische Geräte (z.B. Streulichtsensoren). Da liegen zwischen der abgestrahlten Leistung (z.B. Laser 1mW) und der Detektionsgrenze der Sensorschaltung schon mal mehr als 12 Größenordnungen!!! Das Rauschen ist dann auch schon mal 100-1000 fach höher als die Auflösung des Gerätes. Was ist aber ein Chopper (Zerhacker): Ein Flügelrad, das du vor den Eingang der Messkammer stellst, also ein Modulator. http://www.laser2000.de/Photonics/Optik-Optomechanik/Motorisierte-Komponenten-fuer-Mikro-und-Makro-Anwendungen/Chopper-Lock-In/Optische-Chopper-Systeme.html Mit einer Chopperfrequenz von mind. ca. 1kHz(besser 3...10kHz) kannst du das Messsignal als Wechselspannungssignal per Koppelkondensator auskoppeln und dann auch bei Bedarf recht schmalbandig Störungen raus filtern. Damit fällt das Problem Offset schon mal ganz raus. Auch andere Gleichtaktstörungen wie Umgebungslicht und Hintergrundstrahlung sind leicht zu eleminieren. Man tasted einfach abwechselnd das "Dunkelsignal" und das "Hellsignal" ab und bildet daraus die Differenz = "Lichtsignal" . Für die 50Hz Störsignal, die annähernd unvermeidlich bei DC-Signalempfang anfallen, kann man verschiedene Strategien fahren. 1) Man synchronisiert die Abtastungmit der Störfrequenz. (Prinzip des LookIn Verstärkers, nur umgekehrt). 2) Mit einer Chopperfrequenz, die mind. 1 (besser2) Größenordnung von der Störfrequenz entfernt ist, kann man schon normale Bandpassfilter 2...3 Ordnung nutzen, um diese Störungen recht gut weg zu filtern. 3)Alternativ kann man mit einem sehr schmalbandigen Filter z.B. LMF100 das Nutzsignal heraus filtern. Gegen das Rauschen hilft dann natürlich auch vor allem genügend Tiefpass. Das kann man auch problemlos elektronisch machen. Das ist dann nur ein Kompromiss zwischen Messgeschwindigkeit und Auflösung. Auch in der Eingangsverstärkerstufe kann man so schon einige Tricks anwenden, um Gleichtakteinflüsse und niederfrequente Störungen zu unterdrücken. Hier siehst du z.B. eine Schaltung für Fotoverstärker mit Nutzfrequenz ca. 10kHz, die auch 50Hz schon unterdrückt (Hochpass R4,C5 ) http://uwiatwerweisswas.schmusekaters.net/Uwi/ELEKTRONIK/Opto_Laser/Fotoverst%e4rker.PDF Gruß Öletronika
Im µV-Bereich kann man sich 50 Hz ggf. auch leicht durch induktive Kopplung einfangen. Bei der Schaltung ist das Layout und die Temperatur in der Schaltung schon wichtig. Konvektion in der Luft um die Schaltung ist da ggf. schon die größte Rauschquelle. Ein Chopper ist einfach ein mechanischer Modulator für die Strahlung - wegen des Thermopiles als Detektor dürfte man in der Frequenz auf weniger als 1 kHz begrenzt sein. Es ist auch nicht sicher das man damit weniger Rauschen bekommt als mit einem guten Chopperverstärker. Der Vorteil ist mehr beim Hintergrund.
Dagus schrieb: > So jetzt aber mal wieder ernsthaft. Ich habe den Blödsinn nicht geschrieben und wenn du so schlau bist, dann würdest du zum einen nicht so einen völligen Blödsinn geschrieben haben und zum anderen nicht hier nach Hilfe fragen.
Wo müsste man bei einer Zweistufigen Verstärkerschaltung überall Kondensatoren einbauen (Parallel und auf Erde)? Und wie groß sollten die sein ? (0,1 µF) ?
Kondensatoren gehören jeweils bei den OPs vom Ausgang zum inv. Eingang. Die Größe ist nicht so kritisch, die bestimmt zusammen mit dem Widerstand zu dem sie parallel sind die obere Grenzfrequenz. Ein weiterer Kondensator sollte vom Eingang nach GND. Die 100 nF könnten so etwa hinkommen - das gibt mir 10 K dann eine Grenzfrequenz von etwa 150 Hz.
sowas macht mit moduliertem licht, dann ist man eine menge probleme los. aufgrund der traegheit des systems, dh thermopile, wuerde ich mit 1Hz oder so choppern, und 0.1 Hz filtern. dann fallen die offset-, temperaturdrift- und rauschprobleme schon weg. einen verstaerkungs faktor von 100'000 macht man bequem mit 3 stufen zu je 50.
> troll schrieb: > einen verstaerkungs > faktor von 100'000 macht man bequem mit 3 stufen zu je 50. Hallo, es ist zu empfehlen, soviel Verstärkung wie möglich in die erste Verstärkerstufe zu setzen um das Rauschen zu minimieren. Gruß Öletronika
Nicht immer. Bei dieser kleinen Bandbreite schon. Bei 100kHz dann nicht mehr.
Normalerweise gilt das Energieerhaltungsgesetz, das heißt der Operationsverstärker braucht eine Versorgungsspannung. Üblicherweise -5V und + 5V oder -15V und +15V . Auch bei modernen OPV mit einer kleinen Versorgungsspannung gilt: Genau in der Mitte ist oft die Masse , das Bezugspotential des Signals. Da es selbstverständlich ist, wird das in den Schaltungen oft weggelassen.
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Ach Lutz, wer hier von 1 000 000 Verstärkung spricht, das mit ... Dagus schrieb: > Cirrus CS3002 klingt ganz gut.. aber bei 0.125 µV brauch ich tortzdem > Offset kompensattion... Wie kreig ich das hin mit nur einer > Spannungsquelle (+5V)? ... machen will, mich dann für einen Spaßmacher hält, wenn ich sage, dass er das selbst mit einer 50 000 000 -fachen Verstärkung nicht hin kriegt und dem auch 5V nicht zum messen reichen, dem kann man nicht mehr helfen.
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