HAllo!
Ich will das Signal einer Photodiode zum Eingang eines
Transimpedanzverstärkers führen.
Problem dabei: Das Verbindungskabel ist ca 40 cm lang und das
Stromsignal der Fotodiuode ist ja bekanntermaßen sehr klein. Ich suche
ide beste Lösung, wie ich das Kabel (die Leitungen) an der Platine
(darauf befindet sich der Transimpedanzverstärker) befestigen kann,
damit das SIgnal optimal übertragen wird.
Ich habe bedenken wegen eines möglichen (relativ) hohen
Übergangswiderstandes eines Steckkontaktes. Ich meine, eine
Lötverbindung müsste ja hier den besten Kontakt gewährleisten. oder? Ist
der Übergangswiderstand einer Steckverbindung höher als wenn das Kabel
angelötet wird?
Oder mache ich mir hier umsont Gedanken und es ist egal was ich
verwende?
Danke!
Der Übergangswiderstand ist irrelevant. Aber sollte dir die vom Kabel
verursachte Kapazität nicht ggf. Schwierigkeiten verursachen? Oder hast
du nur geringe Anforderungen an Bandbreite oder Rauscheigenschaften?
Danke für die Antwort.
Du meinst also, dass ich hier keine Gedanken mit dem Übergangswiderstand
der Steckverbing verschwenden soll? Kann ich also bedenklos
Crimpkontakte verwenden?
Die Problematik mit der Kabelkapazität ist natürlich auch nicht zu
vergessen, da hast du Recht. Es ist leider so, dass es 30cm lang sein
muss, da die Photodiode und die Auswertung so weit voneinander entfernt
liegen (da kann man nichts ändern). Bez. Bandbreits kann ich leider
keine genaue Aussage machen, aber natürlich sollte das Rauschen so
gering wie möglich gehalten werden. Welches Kabel könnte man hier für
eine optimale Übertragung nehmen? Würdet ihr hier geschirmte Kabel
verwenden?
Dank!
@ Fritz Ph. (Gast)
>gering wie möglich gehalten werden. Welches Kabel könnte man hier für>eine optimale Übertragung nehmen? Würdet ihr hier geschirmte Kabel>verwenden?
Koaxkabel mit Luftdielektrilum, das hat die geringste Kapazität.
Wenns nicht ganz so kritisch mit der Bandbreite ist, geht auch normales
Koaxkabel ala RG174 oder so.
Fritz Ph. schrieb:> Die Problematik mit der Kabelkapazität ist natürlich auch nicht zu> vergessen, da hast du Recht.
Das ist wahrscheinlich nicht so schlimm, weil der Eingang des TIA im
Idealfall ja einen Kurzschluß darstellt und daran also keine
Spannungsänderung auftritt.
Bei sehr schnellen Signalen tritt anstelle der Kapazität evtl. der
Wellenwiderstand des Kabels, und es wäre zu überlegen, ob man anstelle
des TIA nicht einen HF-Pufferverstärker verwendet.
Um welchen Frequenzbersich geht es denn hier, und kannst du wirklich
nicht den TIA mit der Photodiode zusammenbauen und dann erst das Kabel?
foo schrieb:> Um welchen Frequenzbersich geht es denn hier, und kannst du wirklich> nicht den TIA mit der Photodiode zusammenbauen und dann erst das Kabel?
Wenn man sich bei dem Signal nur für den Wechselanteil interessiert,
dann kann man sogar über das Coax eine Phantomspeisung machen.
Momentan wird dafür folgendes Kabel verwendet:
http://www.conrad.at/ce/de/product/607968/Mikrofonkabel-2-x-014-mm-Schwarz-Meterware-LappKabel
Das Kabel sollte möglichst flexibel sein, ein Koaxkabel ist dies so weit
ich weiß nicht wirtklich. Was haltet ihr davon?
foo schrieb:> Um welchen Frequenzbersich geht es denn hier, und kannst du wirklich> nicht den TIA mit der Photodiode zusammenbauen und dann erst das Kabel?
Was meinst du damit? meinst du, die Fotodiode direkt an den
Transimpedanzverstärker und das licht über einen LWL einkoppeln?
Ich kann momentan den Frequenzbereich leider nciht beurteilen, allerding
kann ich sagen, dass es mit dem o.a. Kabel bereits funktioniert hat,
allerdings nciht mehr, wenn man es länger als 40cm macht.
Fritz Ph. schrieb:> Ich kann momentan den Frequenzbereich leider nciht beurteilen
Das solltest du dir auf jeden Fall vorher überlegen.
Wenn du schon keine genauen Werte hast, dann erzähl halt kurz was zur
Verwendung. Du wirst ja nicht ein Teil designen von dem du nicht wei
wofür es da ist (das bleibt Politikern vorbehalten).
John Drake schrieb:> Der Übergangswiderstand ist irrelevant. Aber sollte dir die vom Kabel> verursachte Kapazität nicht ggf. Schwierigkeiten verursachen? Oder hast> du nur geringe Anforderungen an Bandbreite oder Rauscheigenschaften?
Papperlapapp.
Der Eingang eines TIA ist sehr niederohmig (null Ohm um genau zu sein),
die Kabelkapazität ist vollkommen irrelevant, der Widerstand ist
wichtig.
so hohe Verstärkung wie möglich, so geringes Rauschen wie möglich und
die größt mögliche Bandbreite :) Dazu gibts auch was von Bob Pease.
Was ich festgestellt hab in meiner TIA-Erfahrungslaufbahn:
Der Abstand von Photodiode zu OpAmp ist unglaublich kritisch, wenn man
den so kurz wie möglich halten kann, gewinnt man sehr viel, sprich
weniger Rauschen keine 50Hz Brummen auf dem Signal und die Bandbreite
steigt auch.
Wenn es garnicht möglich ist da noch ne 2x2cm Platine mit TIA
unterzubringen würd ich Koaxkabel nehmen, aber nur weil ich das schon
getestet habe, wirklich erklären ob das besser schirmt etc kann ich
nicht.
Bernd schrieb:> Papperlapapp.>> Der Eingang eines TIA ist sehr niederohmig (null Ohm um genau zu sein),> die Kabelkapazität ist vollkommen irrelevant, der Widerstand ist> wichtig.
Wenn das so wäre, wäre dann nicht auch die Kapazität der Photodiode
komplett irrelevant? Aus eigenen Messungen weiss ich das sie das nicht
ist.
Zuviel theoretisches Wissen auf deiner Seite oder mache ich einen
Denkfehler, weswegen zwischen Kabelkapazität und Diodenkapazität ein
Unterschied für den OpAmp-Eingang sein sollte?
Es gibt Leute, die wollen nur das Licht messen. sowenig wie moeglich. Da
kann man alles DC maessig betrachten. Andere Leute wollen so schnell wie
moeglich messen. Da schaut's dann wieder anders aus.
Nein, aus einer Fotodiode komm nicht generell wenig Strom. So um die
0.6A/W. Was doch Einges ist wenn man die passende Leistung hat.
Eine Ahnung der zu messenden Frequenzen und der Menge des Lichtes sollte
man unbedingt haben.
Bernd schrieb:> Der Eingang eines TIA ist sehr niederohmig (null Ohm um genau zu sein)
Das ist ziemlich blauäugig - es stimmt nur im normalen Arbeitsbereich,
aber zum Umladen einer Kapazität steht wegen Übersteuerung nur der Strom
zur Verfügung, der über den Rückkopplungswiderstand abfliessen kann, und
der ist SEHR gering. M.a.W. im nicht eingeschwungenen Zustand ist der
TIA extrem hochohmig, je nach Auslegung im GOhm-Bereich.
Georg
seb schrieb:> Wenn das so wäre, wäre dann nicht auch die Kapazität der Photodiode> komplett irrelevant?
Ja, die ist auch irrelevant, genau deshalb verwendet man ja einen
Transimpedanzverstärker der die Diode kurzschliesst, es gibt kein
Delta-U mehr an deren Anschlüssen, kein Umladen der Kapazität, nur der
Strom der fließt ist wichtig. Und der ist sehr klein, daher würd ich
induktive Einkopplungen als Gefahr sehen (Koax-Kabel an beiden Enden so
dicht wie möglich dran, möglichst keine nennenswerte Fläche umschließen
mit den beiden Leitern) und je nach zu messender Frequenz spielt die
Induktivität des Kabels selbst noch eine gewichtige Rolle.
Bernd schrieb:> Ja, die ist auch irrelevant
Dazu ein Zitat aus einer Fachartikel von Texas Instruments:
"Die klassische Schaltung eines lichtempfindlichen Systems besteht aus
einer Photodiode, einem Operationsverstärker und einem Paar aus
Rückkopplungswiderstand und Rückkopplungskondensator am Frontend (Bild
1). Bei dieser Schaltung wird die Bandbreite durch die Photodiode, den
Verstärker und die Rückkopplungskapazität beschränkt.
Bei der Lichtmessung mit einer Photodiode, die eine große parasitäre
Kapazität besitzt oder die weit entfernt ist, liegt folglich eine große
Kapazität über dem Eingang des Verstärkers an. Als Resultat dieser
zusätzlichen Kapazität steigt die Rauschverstärkung der Schaltung,
solange der Rückkopplungskondensator nicht vergrößert wird. Wenn der
Rückkopplungskondensator (CF) vergrößert wird, sinkt die Bandbreite der
Schaltung."
Kommentar überflüssig.
Georg
Das Datenblatt Deiner Fotodiode könnte einiges verraten. Es besteht
jedoch immer noch die Frage, WOZU Deine akademische Erfindung genutzt
werden soll. Für die Beobachtung einer Mondphase hat man viel Zeit. Im
GHz-Bereich dagegen "etwas weniger" als 29 Tage. :-)
Hallo,
die verwendete Fotodiode ist folgende:
http://at.farnell.com/centronic/bpx65/foto-diode-850nm/dp/327451?ost=327451
Es wird damit ein Prozess überwacht, bei dem Rauch aufsteigt und dadurch
das Licht auf die Fotodiode beschränkt. Was das für Frequenzen ergibt,
kann man sich ungefähr denken.
Die Schaltung berfindet sich im Anhang. R1 ist dabei 3MOhm und C1 ist
2nF.
@Bernd:
Bei hohen Frequenzen ist Rin natürlich nicht mehr klein.
- Kapazität parallel zum Eingang erhöht die Rauschverstärkung bei hohen
Frequenzen ("Peaking")
- Widerstand parallel zum Eingang rauscht und erhöht die
Rauschverstärkung bei niedrigen Frequenzen.
- Übergangswiderstaende zwischen Diode und Eingang rauschen
Bernd schrieb:> John Drake schrieb:>> Der Übergangswiderstand ist irrelevant. Aber sollte dir die vom Kabel>> verursachte Kapazität nicht ggf. Schwierigkeiten verursachen? Oder hast>> du nur geringe Anforderungen an Bandbreite oder Rauscheigenschaften?>> Papperlapapp.
Was am dritten der von dir zitierten Sätze hast du nicht verstanden?
- Die Kapazität am TIA-Eingangsknoten bestimmt zusammen mit den
Verstärkereigenschaften und dem Feedback-Widerstand die Bandbreite.
- Die Kapazität am TIA-Eingangsknoten hat entscheidenden Einfluss auf
die Rauscheigenschaften des Empfängers (so man sie Schaltung
rauschoptimiert, natürlich).
Ob zu den 1-10Ohm des TIA-Eingangs noch 0.1Ohm Steckerwiderstand
dazukommen oder nicht, ist: irrelevant.
Fritz Ph. schrieb:> Es ist leider so, dass es 30cm lang sein> muss, da die Photodiode und die Auswertung so weit voneinander entfernt> liegen (da kann man nichts ändern).
Jeder Draht ist auch eine "Antenne". Genau dieses Signal verstärkt und
vergleicht dann Dein OPV. Daher ist ein günstiger, abgeschrimter Aufbau
schon die halbe Miete.
Fritz Ph. schrieb:> Was das für Frequenzen ergibt, kann man sich ungefähr denken.
Da fehlt mir eine aktuelle Messsung am Tatort. Aber eins kann ich Dir
schon verraten: Optik verschmutzt leicht. So wird Deine Erfindung
wahrscheinlich nur von kurzer Freude sein. Wenn man die Frequenz genauer
wüsste, könnte man auch über einen Fototransistor nachdenken, der einen
besseren Wirkungsgrad hat? Evtl. würde ich 2 Fototransistoren nehmen und
mit der Differenz arbeiten. Damit läuft Dir die Temperatur weniger weg.
Fritz Ph. schrieb:> Was das für Frequenzen ergibt,> kann man sich ungefähr denken.
Allenfalls wenige Hertz also wohl, falls nicht die Lichtquelle mit
höherer Frequenz moduliert ist
Dafür ist die Dimensionierung mit 3M||2nF vermutlich nicht sehr günstig.
Hast du mal den Photostrom ohne Rauchentwicklung gemessen bzw.
berechnet?
Tipp:
Bau eine klein Platine mit OPV und Fotodiode.
Dahin kann man die Versorgung und Masse führen, zurück das analoge
Ausgangssignal des OPV.
Mit einem SOT23-5-OPV (oder SC70) und ein paar SMD-Kondensatoren ist das
unwesentlich größer als der Sensor alleine, aber das Signal ist sehr
viel unempfindlicher gegen Störungen.
oszi40 schrieb:> Jeder Draht ist auch eine "Antenne". Genau dieses Signal verstärkt und> vergleicht dann Dein OPV. Daher ist ein günstiger, abgeschrimter Aufbau> schon die halbe Miete.
Du sihest die oben angeführte Schaltung. Auf welchem Potential soll
Deiner Meinung nach der Schirm liegen?
WehOhWeh schrieb:> Tipp:> Bau eine klein Platine mit OPV und Fotodiode.> Dahin kann man die Versorgung und Masse führen, zurück das analoge> Ausgangssignal des OPV.>> Mit einem SOT23-5-OPV (oder SC70) und ein paar SMD-Kondensatoren ist das> unwesentlich größer als der Sensor alleine, aber das Signal ist sehr> viel unempfindlicher gegen Störungen.
Ich werd mal recherchieren, ob das wirklich möglich wäre, den verstärker
gleich direkt zum Sensor zu legen, dann ads verstärkte Signal zu
übertragen. Wenn das ev. möglich ist, wäre das wohl die beste Lösung.
Andre schrieb:> Hallo,>> habe ein ähnliches Problem, ist hier wirklich ein zusätzlicher> Kontaktwiderstand von ca 20mOhm ausschlaggebend?>> Thx
In der Regel nicht, hängt vom konkreten Aufbau ab.
Der Ausgangswiderstand der Photodiode ist recht hoch (ggf. MOhm und
mehr), wenn einen nicht hohe Frequenzen (im MHz Bereich) interessieren.
Das ist vor allem die Kapazität. Dagegen ist ein Widerstand im mOhm und
unteren Ohm Bereich zu vernachlässigen.
Die Kapazität am Eingang ist vor allem für das höherfrequente Rauschen
interessant. Der wesentliche Teil kommt vom Spannungsrauschen des
Operationsverstärkers mal der Kapazität des Sensors und Kabels zusammen
mal der Frequenz.
Ulrich H. schrieb:> Der Ausgangswiderstand der Photodiode ist recht hoch (ggf. MOhm und> mehr), wenn einen nicht hohe Frequenzen (im MHz Bereich) interessieren.> Das ist vor allem die Kapazität. Dagegen ist ein Widerstand im mOhm und> unteren Ohm Bereich zu vernachlässigen.
Danke für die Info!
Ich betreibe die Photodiode gleich wie oben weiter in der Schaltung
angegeben. Bedeutet das, ich kann mir hier eine Kapazität IN SERIE zur
Fotodiode denken? Sodass also höher Frequenzen leicht drüber kommen, für
kleinere f aber ein hoher Widerstand zu sehen ist. Das SIgnal der
Fotodiode hat maximal 70-80kHz.
Ulrich H. schrieb:> Die Kapazität am Eingang
am Eingang vom OPV (Transimpedanzverstärker?)
ist vor allem für das höherfrequente Rauschen
> interessant. Der wesentliche Teil kommt vom Spannungsrauschen des> Operationsverstärkers mal der Kapazität des Sensors und Kabels zusammen> mal der Frequenz
ok, d.h. je kleiner die Kapazität der Diode und des Kabels, desto
besser... ich hab keine Erfahrung bei der Auswahl von Fotodioden, aber
kann man hier wesentliche Unterschiede in der Kapazität erreichen? Bzw.
ist das bei meinen Frequenzen von um die 70kHz überhaupt notwendig?
Bei 70 kHz muss man in der Regel schon auf die Kapazitäten achten.
Jedenfalls deutlich mehr als bei dem ursprünglichen TO wo es eher um <
100 Hz ging).
Die Kapazität kann je nach Diodentyp verschieden sein. Sowohl vom
Aufbau, als auch von der Größe. Bei gegebener Diode kann man die
Kapazität durch eine Vorspannung reduzieren.
Die Kapazität der Diode und des Kabels sind parallel (nicht in Serie)
zum eigentlichen idealisierten Detektor (Stromquelle proprotional zum
Licht).
Durch die Rückkopplung liegt das Spannungsrauschen des
Operationverstärkers am Detektor an und der Strom zum Umladen der
Kapazität ist entsprechend als Rauschstrom zu sehen.
100 pF Kapazität (z.B. 1 m Kabel) entsprechen bei 70 kHz schon einer
Impedanz von 50 kOhm. Aus z.B. 10 nV Spannungsrauschen werden damit
scheinbare 200 fA als Rauschstrom. Das ist noch nicht dramatisch viel,
aber doch schon mehr als da Stromrauschen typischer OPs mit FET Eingang.
Entsprechend der Kapazität (Kabel plus Detektor) muss man auch die
Kapazität in der Rückkopplung wählen - wenn das zu viel wird erreicht
man ggf. die 70 kHz Bandbreite auch nicht mehr, bzw. muss einen geringen
Widerstand in der Rückkopplung oder sehr schnellen OP nutzen.
Die Diode hat ohne Vorspannung nur etwa 20 pF. Mit Vorspannung wird es
weniger. 30 cm Kabel dürften grob geschätzt 30 pF haben, eventuell etwas
mehr. Dazu kommen dann noch einmal z.B. 5-10 pF vom Eingang des OPs.
Damit ist das Kabel etwas störender als die Kapazität der Diode.
Mit Vorspannung wird der Unterschied größer. Ohne was gegen die
Kabelkapazität zu tun, macht es aber wenig Sinn mit Vorspannung zu
arbeiten.
Wie sehr das stört, hängt von der Lichtintensität ab. Wenn man da genug
hat, ist man sowieso oft durch das Schrotrauschen begrenzt.
HAllo,
gibt es aus kapazitiver Sicht ein besseres Kabel, das hier verwendet
werden kann? Koax würd ich eher vermeiden wollen, weil es muss ja die
Fotodiode am Kabel angelötet werden, ideal wäre also 2 polig und
geschirmt. Gibt es da eine bessere Kabeltype wie die, die oben angeführt
ist?
THX
