Feedback / Verbesserungsvorschläge für erstes Platinendesign - Photodetektor

[Markus E. (markusemm)]

Hallo zusammen!

Ich bin gerade dabei eine Platine für einen Photodetektor zu entwerfen. 
Da ich so etwas zuvor noch nie gemacht habe, bin ich über jede Hilfe 
dankbar :)

Der Aufbau existiert bereits auf einer Lochplatine mit verdrahteten 
Bauteilen, die erreichte -3db-Frequenz ist aber weit von der 
theoretischen Rechnung entfernt.
Durch den Aufbau auf einer Platine erhoffe ich mir, die (vermutlich) 
limitierenden parasitären Kapazitäten in den Griff zu bekommen und bei 
gleicher Bandbreite dadurch den Rückkopplungswiderstand des 
Transimpedanzverstärkers weiter anheben zu können.

Mehrmals bin ich über den Begriff "guardring" gestoplert, bietet es sich 
evtl. an diesen im Layout mit einzubauen? Ein Bild einer frühen Version 
ist angehängt, bei der ich den Ring analog 
http://www.elektor.de/news/opamp-femtoampere-eingaengen/ nachgebaut 
habe.
An anderer Stelle habe ich gelesen, dass die Signalleitungen und die 
unmittelbare Nähe der OpAmps von der Massefläche ausgespart werden 
sollen. Der Anschluss des guardrings steht dazu im Widerspruch - Oder 
übersehe ich etwas?

Ziel ist das eigene Ätzen der Platine, weswegen ich auf 2 Layer 
beschränkt bleiben möchte.

Freue mich auf euren Input!

/Edit: Board und Layout mit hochgeladen... sorry :o

[Easylife (Gast)]

Ich kenne mich mit diesem Verstärker nicht aus, aber offen gelassene 
Pins machen mich immer stutzig...
(IC1 / Pin 5)

[Markus E. (markusemm)]

Easylife schrieb:
> Ich kenne mich mit diesem Verstärker nicht aus, aber offen gelassene
> Pins machen mich immer stutzig...
> (IC1 / Pin 5)

Hi Easylife! Pin5 beim OPA656 ist als NC aufgeführt :)
Ich hänge die Pin-Belegung der beiden Chips noch an!

Vielleicht sind Photodetektorschaltungen auch unbeliebt :P

Unsicher bin ich mir bei der Platzierung und Anzahl der Vias, um die 
GND-Flächen zu verbinden. Direkt hinter Bauteile die auf GND liegen habe 
ich per Via eine Verbindung geschaffen, aber wie viele benötigt man 
sonst auf der Fläche verteilt? Mehr = automatisch besser?

Bei der Platzierung der Rückkopplung habe ich mich an einem Post von Kai 
Klaas orientiert, 
Beitrag "Stabilität OPV OPA657" . Es gibt aber 
sicher noch viele Verbesserungsmöglichkeiten :)

[Georg (Gast)]

Markus Emm schrieb:
> Mehrmals bin ich über den Begriff "guardring" gestoplert

Ein Guardring macht Sinn, wenn am Op-Eingang eine Spannung anliegt und 
man den Guardring auf dieselbe Spannung, aber mit niederohmiger Quelle, 
anschliessen kann (z.B. vom Ausgang des OpAmps). Wenn der Guardring das 
gleiche Potential wie der Eingang hat, können keine Kriechströme vom 
oder zum Eingangspin fliessen.

Bei deiner Schaltung liegen die Op Eingänge aber auf GND, also müsste 
der Guardring auf GND liegen. Da ist aber ja sowieso GND drumherum.

Ein sinnvoller Guardring ist in SMD sowieso kaum möglich, da müsste man 
DIL oder eine TO-Gehäuse verwenden, damit man überhaupt einen Ring um 
einen Pin legen kann. Bei hochgezüchteten Schaltungen wird daher oft so 
ein Gehäuse verwendet, das hat nichts mit altmodisch zu tun. Bei einem 
TO-Gehäuse kann man z.B. den Draht mit dem Eingangspin hochbiegen und in 
der Luft verbinden, wird z.B. bei pA Anwendungen gemacht.

Georg

[Easylife (Gast)]

Markus Emm schrieb:
> Pin5 beim OPA656 ist als NC aufgeführt :)

Das mag schon sein.
Ich rede aber auch von IC1, NE5543, Pin 5 = COMP, den du offen gelassen 
hast.

Und warum sind die Schaltplansymbole (Kondensatoren) eingentlich so 
seltsam bei dir?

[Markus E. (markusemm)]

Vielen Dank Georg für die Erklärung! Wäre es in dem Fall dann sinnvoll, 
die GND-Fläche an der Oberfläche zwischen den invertierenden Eingang und 
den Versorgungspin zu ziehen oder lieber mit Abstand zum 
Operationsverstärker analog zur Unterseite zu lassen?

Sorry Easylife, das hatte ich falsch verstanden! Laut Datenblatt des 
NE5534 kann man zwischen Pin5 und Pin8 noch einen Kondensator hängen, 
der mir wenn ich es richtig verstehe aber die Bandbreite beschränken 
würde. Deshalb wird an der Stelle keiner eingesetzt.
Wieso die Symbole seltsam aussehen kann ich dir jedoch nicht 
beantworten. Ist meine erste Arbeit mit Eagle :o Verwendet habe ich die 
Bibliothek resistor / C-EU0805 - Ist das kein Standardteil?

[Georg (Gast)]

Markus Emm schrieb:
> Wäre es in dem Fall dann sinnvoll,
> die GND-Fläche an der Oberfläche zwischen den invertierenden Eingang und
> den Versorgungspin zu ziehen

Da Pin 1 NC ist, ist deine Guardring-Entwurf schon richtig, wenn du den 
Guardring an GND anschliesst. Die Photodiode hat auf Bottom auch ein 
Pad, da sollte natürlich auch ein Guardring drum. Da aber in diesem Fall 
der Guardring GND-Potential hat (sowas bezeichnet man dann üblicherweise 
als Schirmung, nicht als Guard, aber das sind nur Worte), kommt eine 
umgebende Massefläche auf dasselbe heraus (nachprüfen!). Das ist einer 
der Vorteile so eines Transimpedanz-Verstärkers.

Böse ist neben einem empfindlichen Eingang eine Leiterbahn oder ein Pad 
mit anderem Potential, besser ist Kupfer mit gleichem Potential, noch 
besser ist kein Kupfer und am besten auch keine Leiterplatte, sondern 
Luft (Rein theoretisch wäre vielleicht trockener Stickstoff oder Vakuum 
am allerbesten). Da es aber in der Nähe immer Kupferflächen mit anderem 
Potential gibt, muss zwischen denen und dem Eingang eine Kupferleitung 
mit dem gleichen Potential liegen; aber da kein Kupfer kriechstrommässig 
noch besser ist, ist die Empfehlung schon sinnvoll, mit Masse oder Guard 
möglichst weit weg zu bleiben, das lässt sich halt nur sehr begrenzt 
machen.

Aber was über deinen GND-Guardring hinausgeht ist schon recht 
akademisch.

Georg

[Markus E. (markusemm)]

Hallo Georg!

Wie man vielleicht schon gemerkt hat, komme ich nicht aus der 
Elektronikecke, aber manchmal muss man eben über den Tellerrand 
hinausschauen...

Kurzum ist es ein nichttriviales Problem? :)
Ich werde auf der Oberseite den invertierenden Eingang (aufgrund des 
Photostromes sollte das die kritische Leitung sein?) des 
Transimpedanzverstärkers etwas weiter von der Massefläche befreien, in 
etwa analog zur Unterseite.
Betrachte ich die Pads der Diode auf der Unterseite, stehe ich dann vor 
einem tradeoff. Die GND-Fläche als Guard/Schirm um die Pins schließen 
und damit der Signalleitung oben mit der Massefläche wieder näher 
kommen, oder die Pins nur soweit einkreisen wie es ohne die Überlagerung 
möglich ist.

Vielleicht muss ich die Platine einfach einmal aufbauen und messen, ob 
ich bereits eine Verbesserung erreiche. Das könnte ich am Wochenende 
erledigen.

Wie beurteilst du denn das restliche Layout?
- Werden stromführende Leitungen üblicherweise in größerem Abstand außen 
an der Platine entlang geführt oder sollte ich diese noch weiter nach 
innen legen?

- Vorteile durch weitere Füllung der Fläche auf der Oberseite zwischen 
den Operationsverstärkern und dem Poti mit Masse?

- Ist die Anzahl der Vias der inneren Masseflächen ausreichend? Zur 
Verbindung mit GND werde ich außen noch eine handvoll setzen und gegen 
Mittag eine aktualisierte Zeichnung hochladen!

Vielen Dank nochmal! :)

[Georg (Gast)]

Hallo,

zum Platzverbrauch sage ich mal nix, wenn man genügend hat ist das ok.

Markus Emm schrieb:
> - Werden stromführende Leitungen üblicherweise in größerem Abstand außen
> an der Platine entlang geführt oder sollte ich diese noch weiter nach
> innen legen?

kein merklicher Vorteil

> - Vorteile durch weitere Füllung der Fläche auf der Oberseite zwischen
> den Operationsverstärkern und dem Poti mit Masse?

ebenso kein merklicher Vorteil

> - Ist die Anzahl der Vias der inneren Masseflächen ausreichend? Zur
> Verbindung mit GND werde ich außen noch eine handvoll setzen und gegen
> Mittag eine aktualisierte Zeichnung hochladen!

Ist ja keine HF-Schaltung. Ich würde noch ein paar am Platinenrand 
setzen.

Grundsätzlich: man kann den Sperrstrom der Diode messen wie du, oder man 
misst den Kurzschlussstrom, betreibt die Photodiode also mit 0 V, das 
hat Vorteile beim Dunkelstrom und auch guardmässig, denn dann liegen ja 
beide Pins auf gleichem Potential. Dazu müsste das andere Beinchen der 
Diode mit GND verbunden sein, du kannst ja die Schaltung so auslegen 
dass beides geht und vergleichen.

Anbei ein photo head amplifier von mir. R15/R14/R12 vergrössern den 
Rückkopplungswiderstand, T11 dient zur Verstärkungsumschaltung 1:8. 
Stromversorgung ist nicht eingezeichnet.

Georg

[Georg (Gast)]

Tschuldigung, Schaltplan hier, zu früh geklickt

Georg

[Markus E. (markusemm)]

So, ich habe noch einige Dinge angepasst. Die GND-Fläche um die Chips 
und den invertierenden Eingang mit mehr Abstand versehen, wodurch ich 
hoffentlich die parasitären Kapazitäten etwas verringern kann. Die 
stromführenden Leitungen sind etwas zusammengezogen und außen einige 
Vias platziert. Die verbleibende Fläche habe ich mit noch mit GND 
aufgefüllt, wenn es auch keinen Vorteil hat, so sollte es auch keinen 
Nachteil haben?

Den Betrieb ohne Vorspannung werde ich auch einmal testen! Bereits 
versucht habe ich den photovoltaischen Betrieb, aber dort war die 
erreichte Bandbreite durch die große Diodenkapazität der limitierende 
Faktor.
Wie bereits geschrieben, lässt sich das aber evtl. umgehen. Im Vergleich 
zu einem langsameren OpAmp (LF357) konnte ich den 
Rückkopplungswiderstand verdreifachen, um auf die gleiche -3db-Frequenz 
zu kommen. Theoretisch sollte ich aber (GBP des Chips jetzt 230 statt 
20MHz) zumindest den Faktor 10 herausholen können.

Werde die Schaltung dann so einmal aufbauen und testen, ob ich Vorteile 
gegenüber der Variante mit verdrahteten Bauteilen sehe :)

Wenn ich fragen darf, für welche Bandbreite ist deine Schaltung gedacht? 
Die 22MOhm lassen mich eine "langsame" Anwendung vermuten?

[Georg (Gast)]

Markus Emm schrieb:
> Wenn ich fragen darf, für welche Bandbreite ist deine Schaltung gedacht?

Für garkeine, d.h. Reaktion im ms-Bereich - dient zu Analysezwecken von 
Flüssigkeiten, es ist also der reine Gleichwert bzw. Mittelwert gefragt. 
Begrenzend ist nur die Tatsache dass die Lichtquelle ein- und 
ausgeschaltet wird, um den Dunkel- und Umgebungslichtstrom zu 
elminieren, aber das geschieht so mit etwa 100 ms.

Georg

[Markus E. (markusemm)]

Verstehe :)

Ich möchte Signale mit etwa 100kHZ abtasten und lege deswegen die 
-3db-Frequenz auf 400-500kHz.

Der erste Aufbau ist mittlerweile gelungen, die Tonertransfermethode hat 
überhaupt nicht funktioniert - Der Toner blieb nur bei einer einseitigen 
noname-Platine eher schlecht als recht auf der Platine haften, bei der 
doppelseitigen von Bungard überhaupt nicht.
Die Fotomethode brachte für den ersten Versuch ein gutes Ergebnis finde 
ich, kleine Ausbesserungen waren an der Stelle des Potis notwendig.

Die erwartete Verbesserung gegenüber dem Lochplatinenaufbau hielt sich 
jedoch in Grenzen. Bei gleichem Rückkopplungswiderstand erreiche ich 
knapp 600kHz als -3db-Frequenz (ursprünglich werkelte als TIA ein LF356 
5MHz, dann LF357 20MHz, jetzt OPA656 230Mhz)... theoretisch sollte man 
zum LF357 ja dann bei Faktor 10 landen....

Scheint also noch nicht so super zu sein vom Design her :)

[Wolfgang (Gast)]

Markus Emm schrieb:
> Den Betrieb ohne Vorspannung werde ich auch einmal testen!

Wenn du die Grenzfrequenz von deinem Detektor möglichst hoch haben 
möchtest, ist eine Vorspannung schon der richtige Weg, um die 
Sperrschichtkapazität der Diode zu verkleinern. 5V ist da allerding noch 
sparsam, i.e. da ist noch ein Faktor 2 Luft, wobei OP und 
Gegenkopplungskram den Effekt natürlich begrenzen.

Datenblatt Abbildung "Typical Capacitance versus Bias Voltage"
http://www.msc-ge.de/download/Centronic/fotodet/EOSeriesBPX65.pdf

Auch wenn das bei deinem Galaxy Note III Übersichtsphoto trotz 
12Megapixel Bildern nicht so raus kommt: Die Isolationsbreite zwischen 
den Leiterbahnen ist recht gering, was natürlich auch Kapaziäten 
erzeugt. Die könnten ruhig schmäler sein.

[Markus E. (markusemm)]

Hallo Wolfgang!

Vielen Dank für dein Feedback.

Der Einfluss der Gegenspannung auf die Diodenkapazität ist mir bewusst, 
in dem Fall wären das 50pF bei 0V und 16pF bei 5V. Die 5V liegen primär 
durch die aktuelle Wahl an OpAmps an, getestet wurden auch 15V mit einem 
THS4601 und dem NE5534 in zweiter Stufe. Von den Leistungsdaten, 
insbesondere dem voltage und current noise und der Eingangskapazität ist 
der OPA656 aber schöner meine ich :o

Auch mit der Kombi 15V  THS4601  NE5534 zeigt sich jedoch ein 
ähnliches Problem - die theoretisch berechnete -3db-Frequenz bei einem 
fixen Rückkopplungswiderstand wird bei weitem nicht erreicht.

Was die Isolationsbreite anbelangt - Kannst du dazu weiter ins Detail 
gehen?
So wie ich dich verstehe, muss ich den Abstand erhöhen. Angefangen bei 
den kritischen Leitungen? Die Verbindung Diode / negativer Eingang des 
OpAmps ist ja bereits von der GND-Fläche befreit.
Macht es Sinn, die Versorungsleitung zum OpAmp sowie der Fotodiode 
schmaler auszuführen? Bzw. dort auch mehr Freiraum zur GND-Fläche zu 
lassen? Die GND-Verbindung des OpAmps und den beiden Kondensatoren kann 
ich auch zu einer Leiterbahn minimieren?
Oder sollte ich auf die GND-Flächen sogar verzichten und stattdesssen 
einzelne Leiterbahnen ziehen?

/Edit: Bevor ich es vergesse: BPX65 ist im Plan nur eingetragen, weil 
meine Diode nicht in Eagle vorhandne ist. Dabei handelt es sich um eine 
PS1.0-2 von FirstSensor.

[MaWin (Gast)]

Markus Emm schrieb:
> existiert bereits auf einer Lochplatine mit verdrahteten
> Bauteilen, die erreichte -3db-Frequenz ist aber weit von der
> theoretischen Rechnung entfernt.

Das liegt vielleicht am NE5543, ein Audio-Verstärker mit miesen Drift 
und schlechter CMRR, der von deiner +5V/-5V glatt 3V frisst, also nicht 
mehr als +2V/-2V liefert.

Und davor ein 0.5GHz Verstärker den du nur mit einem 1pF bändigen 
willst, obwohl schon der Hersteller zeigt, daß man besser RCR baut (und 
anpasst auf die realen Kapazitäten der Platine, 1pF ist nämlich schnell 
erreicht).

Ob ein OPA656, der 2pA Bias-Strom hat, unbedingt einen guard-Ring 
braucht, sei auch dahingestellt. Zumindest der NE5534 macht das wieder 
zunichte, nimm was besseres, einen Pail-To-Rail OpAmp.

[Markus E. (markusemm)]

Hallo MaWin!

Sehr interessant :)
Auf die zweite Stufe habe ich bis jetzt weniger das Augenmerk gesetzt... 
Bis jetzt ging ich davon aus, da dort eine Verstärkung von knapp 20 
vorliegt, mit dem 10MHz-Chip noch keine Probleme zu bekommen.

Das "Auffressen" des Ausgangsbereiches zu beseitigen klingt sehr gut!
Ein Rail-to-Rail OpAmp ist mir auch erst dank nachlesen ein Begriff. Ich 
werde einmal Datenblätter wälzen und einen passenden heraussuchen, 
hoffentlich mit ähnlichen Werten was das Rauschverhalten anbelangt. Oder 
gibt es an der Stelle eine "Standardempfehlung"?

Denkst du, 1 pF ist zu gering gewählt? Der Wert sollte doch so niedrig 
wie möglich sein - Also nur so groß, dass kein Überschwingen mehr 
auftritt.
Im Testaufbau läuft der OPA656 mit geringem Überschwinger stabil, obwohl 
ich keinen Kondensator an die vorgesehene Stelle eingelötet habe - und 
trotzdem ist die Bandbreite "schon so klein".
Eine Erhöhung des Kondensators würde diese ja noch weiter verkleinern?

Ich habe aus dem Datenblatt des OPA656 ein Bild angehängt - Meinst du 
das mit RCR-Schaltung? Den Aufbau teste ich auch gerne einmal :)
Abgesehen von der größeren Kapazität, die der zweite Widerstand mit sich 
bringt - Was ist denn der Vorteil dieser Beschaltung? :)