Hallo,
ich möchte den Strom einer Photodiode mit einem
TIA verstärken.
Das Signal gebe ich dann weiter über einen RC-Filter
an weitere OP's (Bandpass + Verstärkung) ...
Bandbreite: 500 Hz bis 5 kHz
Es wird also der DC-Anteil im Signal gesperrt.
Das ganze soll möglichst rauscharm sein.
Ich habe hier im Forum gelesen, dass der Input Bias Current
eine entscheidende Größe beim TIA ist. Je kleiner, desto besser..
Aber spielt das eine Rolle wenn der DC-Anteil sowieso
wegfällt?
Die Frage ist nun nach dem passenden TIA-OP.
In der Schublade sind AD8597 und AD8665.
Supply +/- 5V.
Viele Grüße
Stefan schrieb:> Aber spielt das eine Rolle wenn der DC-Anteil sowieso> wegfällt?
Zumindest beim zweiten OPV wirst du die Biasströme mitmessen. Soll es
auch der AD8665 werden? Der hat maximal 1 pA Biasstrom. Als Feedback
sieht der 33 kΩ, das macht also am Ausgang eine Änderung von sage und
schreibe 33 uV aus…stört dich das wirklich in deiner Anwendung? Kann ich
kaum glauben.
Bei der eher niederohmigen Rückkopplung dürfte das Rauschen nicht so
sehr vom OP bestimmt sein, sondern mehr vom 33 K Widerstand und vor
allem dem unvermeidlichen Schrotrauschen der Photodiode.
Der Bias Strom selber stört eher nicht, aber viel Bias kommt auch immer
mit viel Stromrauschen, und das kann stören.
Der AD8597 hat reichlich viel Stromrauschen und ist damit eher keine so
gute Wahl. Der AD8665 hat relativ viel 1/f Rauschen und ist daher nicht
unbedingt ideal, aber der RR Ausgang ist sehr hilfreich weil damit der
Widerstand in der Rückkopplung relativ groß sein kann.
Lurchi schrieb:> Der AD8665 hat relativ viel 1/f Rauschen und ist daher nicht> unbedingt ideal
Naja, im angestrebten Frequenzbereich hat der ~10 nV/SQRT(Hz). Das halte
ich jetzt nicht wirklich für Ungünstig, man wird doch ein Nutzsignal von
1 V oder mehr anstreben wollen und nicht eines von 0.1 mV. Das SNR
sollte hier doch locker auf 60 db zu bringen sein was in 99.99% aller
Fälle mehr als ausreichend ist.
Michael K. schrieb:> von sage und> schreibe 33 uV aus…stört dich das wirklich in deiner Anwendung?
Kann ich erst sagen wenn ich die Testschaltung am Laufen habe. Ich
erwarte kleinste Änderungen im Photostrom. Wie klein, kann ich noch
nicht sagen.
Lurchi schrieb:> Der AD8665 hat relativ viel 1/f Rauschen und ist daher nicht> unbedingt ideal, aber der RR Ausgang ist sehr hilfreich weil damit der> Widerstand in der Rückkopplung relativ groß sein kann.
Ist das 1/f Rauschen noch relevant ab 500 Hz?
Michael K. schrieb:> Das SNR> sollte hier doch locker auf 60 db zu bringen sein was in 99.99% aller> Fälle mehr als ausreichend ist.
Sehe ich auch so..
Siemensianer schrieb:> Ich verwende TIA Portal V13 SP1 Update6.> Ab V13 SP1 kann man recht gut damit arbeiten.
Das kann sein.. danke für den Hinweis ;-)
Ist ja auch jetzt Wochenende :-)
@all
Danke!
Grüße Stefan
Rechne doch mal durch, ob Du mit einer Stufe (1M/2+1.2pF in Serie) nicht
auch klar kommst. Hängt aber von der Kapazität der Photodiode ab. Im
Idealfall verringerrt das das Rauschen um den Faktor
Wurzel(Nachverstärkung)
Stefan schrieb:> Kann ich erst sagen wenn ich die Testschaltung am Laufen habe. Ich> erwarte kleinste Änderungen im Photostrom. Wie klein, kann ich noch> nicht sagen.
Das ist schlecht. Du solltest zumindest schon im Vorfeld wissen, welche
Änderung noch relevant für dich ist. Du kennst ja die Empfindlichkeit
deiner Photodiode und die Verstärkung kennst du auch. Damit kannst du
doch ausrechnen wie groß eine Änderung sein muss, dass sie interessant
für dich ist.
Stefan schrieb:> Ist das 1/f Rauschen noch relevant ab 500 Hz?
Das kommt auf deine Anwendung an ob das noch relevant für dich ist. Das
1/f-Rauschen hast du von 0 Hz bis, theoretisch, unendlich, das ist also
nicht irgendwann mal weg. Es ist nur irgendwann mal so gering, dass es
vernachlässigbar ist. Bei jeder Anwendung sollte die Schaltung so
dimensioniert sein dass das 1/f-Rauschen, dass es stets vernachlässigbar
ist.
Michael K. schrieb:> Du solltest zumindest schon im Vorfeld wissen, welche> Änderung noch relevant für dich ist.
Ja. Du hast da sicher recht..
Ich möchte einen Fallrohr aufbauen. In diesem sind zwei
Lichtschranken. Jede Lichtschranke besteht aus 3 LED (Anordnung 120°)und
3 Photodioden (Anordnung 120°).
Wenn nun der Prüfling (z.B. Kugel mit 5mm Durchmesser) durch das
Rohr fällt, sollen das die Lichtschranken detektieren.
Rohrdurchmesser ist 15 cm.
LED: SFH485P
Photodiode: SFH203PFA
Die Photodioden sind parallel geschaltet und negativ vorgespannt
damit die Dioden-Kapazität etwas weniger wird.
Wie soll ich das jetzt rechnen?
Schau dir auch die Öffnungswinkel der Dioden dazu an!
Kannst du mir mal Hilfe dazu geben?
Ich hätte es jetzt einfach probiert :-)
Kräftige LEDs und Photodioden sollen schon ein recht kräftiges Signal
geben. Rauschen der OPs ist da eher nicht so das Problem - In der
gzeigten Schaltung rauscht der Widerstand wohl schon mehr als der OP.
Wenn man von DC Licht mehr als etwa 50 mV am Widerstand hat, sollte das
Schrotrauschen noch größer sein.
Bei den kleinen Kugeln wird es aber ggf. schwer die Kugel wirklich zu
detektieren, einfach weil die Kugel ggf. zwischen den Lichtschranken
durch fliegt. Ohne weitere Spiegel / Optik erfasst so eine Lichtschranke
nur einen eher kleinen Bereich.
Das ist eine interessante Anordnung. Eine LED hat, wenn ichs recht
gesehen habe, 25 mW Nennleistung. Deine Photodiode zeigt eine spektrale
Empfindlichkeit von 0.62 A/W auf. Nehmen wir mal an bei der Photodiode
käme eine Leistungsänderung von 1 uW an dann würde die Diode eine
Stromänderung von 620 uA generieren. An den 100 kΩ machen diese 620 uA
mal so eben 6.2 mV Spannungänderung. Der zweite OPV verstärkt dieses
Signal noch um den Faktor 10, am Ausgang hättest du also 62 mV. Ich
denke der Fehler durch den Biasstrom von 33 uV ist hierbei nicht mehr
relevant. Selbst wenn deine eingestrahlte Leistungsänderung nicht 1 uW
sondern 0.01 uW ist hättest du am Ausgang dann immer noch 620 uV die den
33 uV gegenüber stehen, immerhin noch ein Faktor 10 dazwischen.
Ausprobieren würde ich hier auch, denke aber mit dem schon gewählten
AD8665 liegst du gar nicht so verkehrt, der wird wahrscheinlich bestens
dafür geeignet sein.
Dein Filter ist theoretisch ein Bandpassfilter, praktisch ist er aber
imperfekt, weil das Band sehr eng ist. So verschenkst Du unnötig viel (1
dB) vom gerade mit Mühe und TIA gewonennen Nutz-Signal. Eine Ordnung
mehr würde viel helfen. Alternativ kann man auch das Band breiter
machen.
TIA kann man theoretisch mit jedem OPV machen, praktisch braucht er
einen hohen Eingangswiderstand. Ob die gewählten OPV reichen hängt ganz
individuell von der Anwendung ab und können wir mangels deren Kenntnis
auch nicht beurteilen. [Ja Photodiode, schön, aber welche, was wird
eingespeist, wie viel Pegel braucht die nachfolgende Schaltung ist uns
unbekannt.]
Lurchi schrieb:> Bei den kleinen Kugeln wird es aber ggf. schwer die Kugel wirklich zu> detektieren, einfach weil die Kugel ggf. zwischen den Lichtschranken> durch fliegt. Ohne weitere Spiegel / Optik erfasst so eine Lichtschranke> nur einen eher kleinen Bereich.
Ich glaube das ich den o.g. Lichtschrankenaufbau in dem Fallrohr nochmal
genauer erklären muss:
Es werden zwei unabhängige Lichtschranken in einem Rohr untergebracht um
die
Anwesendheit und ggf. Geschwindigkeit zu detektieren. Es fällt ein
Körper durch das Rohr und rauscht durch die 1. LS, dann ca. 0,3 m später
durch die 2. LS.
In EINER LS stehen sich um 120° versetzte LED gegenüber und DAZWISCHEN
um 120° versetzte Photodioden. Also alle 60° befindet sich bei Rohrlänge
0m im Wechsel eine LED und dann eine Photodiode.
Und deswegen wird die Kugel immer erfasst.. egal wie sie durch das Rohr
fällt..
Bei Rohrlänge 0,3m ist das ganze Spiel dann ein 2. Mal aufgebaut..
Michael K. schrieb:> Ausprobieren würde ich hier auch, denke aber mit dem schon gewählten> AD8665 liegst du gar nicht so verkehrt, der wird wahrscheinlich bestens> dafür geeignet sein.
I hope so.. Deswegen meine Eingangsfrage.. Aber wie du siehst: Ganz so
trivial mit der Berechnung ist das nicht. Normalerweise bin ich auch
erst für Rechnen und dann fürs Bauen :-) Danke für deine Ansätze.
Frank schrieb:> Dein Filter ist theoretisch ein Bandpassfilter, praktisch ist er aber> imperfekt, weil das Band sehr eng ist.
So solls sein..
Frank schrieb:> Du unnötig viel (1> dB) vom gerade mit Mühe und TIA gewonennen Nutz-Signal.
Welches genau in dem Frequenzband vom BP liegt und sommit doch optimal
ist!?
Frank schrieb:> können wir mangels deren Kenntnis> auch nicht beurteilen. [Ja Photodiode, schön, aber welche, was wird> eingespeist, wie viel Pegel braucht die nachfolgende Schaltung ist uns> unbekannt.]
siehe: Eingangsfrage und Post 26.02.2016 13:02
Das Signal geht dann weiter durch einen Komparator, Schmitt-Trigger und
später in den Timereingang von nem einem µC...
Da greife ich auf bewährte Schaltungen zurück.. Das läuft alles gut.
Mir gings aber nur um die Eingangsfrage.. Welcher ist besser? Die
Ansätze zum Berechnen könnte man noch weiter diskutieren.. Da es
wirklich für eine Grobe Abschätzung interessant wäre..
Ich weiß z.Z. eben nicht wie viel SNR ich habe.. Siehe
Berechnungsversuche oben..
Thx @ all
Stefan schrieb:> Ich weiß z.Z. eben nicht wie viel SNR ich habe.. Siehe> Berechnungsversuche oben..
Hm, je nach Größe der Kugeln denke ich schon, dass du deutlich mehr
haben wirst als nur 10 nW Leistungsänderung und wie ich oben gezeigt
habe solltest du 10 nW Leistungsänderung noch locker feststellen können,
da hättest du dann noch einen SNR von > 20 db. Ich denke du willst die
Geschwindigkeit der Kugeln messen, oder? Dann reichen auch locker 10 db.
Die Lichtschranken bilden also eine Art Stern, mit 3 Strahlen, so dass
man alle 60 Grad einen hat. jede einzelne Lichtschranke dürfte auch nur
für einen maximal 10 mm (5 mm Kugel + max. 5 mm empfindlicher
Lichtstrahl) Streifen empfindlich sein. Was weiter außen ist wird nicht
erfasst. Das funktioniert damit nur im Zentrum mit etwa 20 mm
Durchmesser zuverlässig, weiter außen kann die Kugel auch durchkommen,
ohne das eine der Lichtschranken was mitbekommt - zumindest nicht in
direkten Strahl. Da hätte man dann nur ggf. ein schwaches Signal über
Reflexionen an den Wänden.
Man müsste da ggf. überlegen mehr LEDs zu nutzen, was aber auch die
relative Signalstärke reduzieren wird. Wenn es sein muss ggf. auch
getrennte Auswertung der Empfänger - damit wäre eine höhere
Empfindlichkeit möglich.
Der AD8665 ist schon eindeutig die bessere Wahl der beiden - begrenzend
werden die OPs so oder so nicht sein, eher schon die Stromversorgung der
LEDs und das Schrotrauschen vom Licht.
Das Signal hängt ja vor allem davon ab wo die Kugel den Strahl trifft -
zum Rand wird das Signal schwächer und in der Mitte hätte man praktisch
100 % Abschattung für den einen Strahl, also ein riesiges Signal.
Irgendwo gestreift reicht es dann aber nicht mehr - das ist dann aber
auch nur eine Frage ob man 8 oder 9 mm Breite feststellen kann.
Sinnvoller wäre da eher eine bessere Optik.
Stefan schrieb:> Ich habe hier im Forum gelesen, dass der Input Bias Current> eine entscheidende Größe beim TIA ist.
Bei DC. Bei AC-Kopplung mußt Du nur aufpassen, daß der DC-Anteil (auch
das Gleichlicht) den OPV nicht in die Sättigung treibt.
Michael K. schrieb:> Zumindest beim zweiten OPV wirst du die Biasströme mitmessen.
Kann doch auch AC auskoppeln.
Stefan schrieb:> Wenn nun der Prüfling (z.B. Kugel mit 5mm Durchmesser) durch das> Rohr fällt, sollen das die Lichtschranken detektieren.
Metallkugel? Nix Lichtschranke, Spule drumwickeln und Verstimmung des
Schwingkreises erkennen.
Lurchi schrieb:> Die Lichtschranken bilden also eine Art Stern, mit 3 Strahlen, so dass> man alle 60 Grad einen hat.
EINE LS besteht aus 3 "Strahlen" alle 120 Grad. Also ein "Stern" mit
drei Zacken :-) Ich glaube ich muss doch nochmal eine Zeichnung
hochladen ;-)
Der Voll-Kreis hat doch noch 360° oder nicht ;-)
Lurchi schrieb:> jede einzelne Lichtschranke dürfte auch nur> für einen maximal 10 mm (5 mm Kugel + max. 5 mm empfindlicher> Lichtstrahl) Streifen empfindlich sein. Was weiter außen ist wird nicht> erfasst.
Stell dir mal die LEDs und die Photodioden mit großem (z.B. 80°)
Öffnungswinkel vor. Ich denke, so wird so ziemlich alles erfasst was da
durchfällt, nicht? Und die Dioden (TX und RX) sind symetrisch
Kreisförmig angeordnet mit Blickrichtung nach RohrRADIUS 0.
Lurchi schrieb:> Das Signal hängt ja vor allem davon ab wo die Kugel den Strahl trifft -> zum Rand wird das Signal schwächer und in der Mitte hätte man praktisch> 100 % Abschattung für den einen Strahl, also ein riesiges Signal.
Es gibt keine "Strahlen" eher eine Lichtkeule.. Und die 3 Photodioden
werden natürlich zusammen parallel betrieben.. Und somit gibt es immer
eine Signal-Summe aus allen RX-Dioden. Wenn eine Diode nicht so viel
abgeschattet wird: die anderen um so mehr.. usw... usw.
DESWEGEN ist ja auch die Berechnung zu der Eingangsfrage schwierig.. und
deshalb frage ich mehr oder weniger nach dem besten OP für diese
Aufgabe..
Lurchi schrieb:> Sinnvoller wäre da eher eine bessere Optik.
Es gibt keine Optik.. wie soll die auch aussehen? Angeordnet in einem
Rohr??
Timm T. schrieb:> Bei DC. Bei AC-Kopplung mußt Du nur aufpassen, daß der DC-Anteil (auch> das Gleichlicht) den OPV nicht in die Sättigung treibt.
Oki..
Timm T. schrieb:> Metallkugel? Nix Lichtschranke, Spule drumwickeln und Verstimmung des> Schwingkreises erkennen.
Auch gut! Aber es wird die optische Lösung gesucht ;-)
Schönen Sonntag
Stefan schrieb:> Es gibt keine Optik.. wie soll die auch aussehen?
Diodenlaser, Linienoptik (gibts im Baumarkt), Einkopplung über Fischauge
(Türspion) erzeugt eine waagerechte Linie.
Auskopplung über Fischauge (Türspion), Schlitzblende (2 Rasierklingen),
Detektion über Liniendiode*, Diodenzeile**) oder CCD-Zeile.
Alternativ Photodiode oberhalb von Laserlinie, schräg nach unten
schauend, detektiert Streulicht des durchgehenden Objektes.
*)http://www.hamamatsu.com/us/en/product/category/3100/4001/4103/S3588-08/index.html
**)http://www.hamamatsu.com/us/en/product/category/3100/4001/4204/4105/S4111-16R/index.html
Und natürlich bei mehreren Dioden diese nicht einfach parallelschalten,
sondern einzeln auswerten und die detektierten Peaks zusammenführen,
weil:
- deutlich höhere Empfindlichkeit
- deutlich schneller, da große Diodenfläche = große Kapazität = langsam
Auch wenn die LEDs / Phototransistoren einen großen Öffnungswinkel
haben, kommt vor allem das direkte Licht am Empfänger an.
Die LEDs haben irgendwas um 25 Grad - da geht dann zwar einiges an Licht
daneben und wird von den Wänden gestreut. Davon kommt dann ggf. auch ein
kleiner Teil irgendwann an den Empfängern an, aber nicht viel, und vor
allem auch aus einer falschen Höhe und mit nur geringer Abschattung
durch die Kugel. Auch der Empfänger ist relativ gerichtet, so dass die
Bereiche um die beiden anderen Empfänger (da wo die anderen LEDs hin
strahlen) eher nicht mehr im empfindlichen Bereich landen. Um also das
nicht direkte Licht zu empfangen werden in der Regel schon 2 Streuungen
nötig sein. Der Teil des Signals ist damit nicht mehr gut geeignet die
Kugel zu detektieren.
Um auf eine Art Netz zu kommen, wo jeder Empfänger mehrere LEDs sieht,
müsste man die LEDs / Empfänger eher anders anordnen: etwa gegenüber,
mit etwa 5 Empfängern an der einen Seite und ähnlich vielen LEDs
gegenüber. Auch da bleiben dann am Rand ggf. noch ein paar
Schlupflöcher.
Eine ganz andere Möglichkeit wäre die Messung im Dunkelfeld, also so
dass nicht das direkte Licht gemessen wird, sondern die Streuung an der
Kugel.
Die Empfänger sehen also ohne Kugel idealerweise kein Licht, und erst
die Kugel gibt dann ein Signal. Das gibt dann weniger Signal, aber je
nach Aufbau auch weniger Hintergrund.
Hallo,
bei einer Rückkopplung mit 100k bewegst du dich ein paar Größenordnungen
unterhalb der typischen Anwendungen von wirklich empfindlichen
Sensorschaltungen. Da wird fast jeder OPV für taugen.
Bezüglich Rauschen ist es auch eher besser, in der ersten
Verstärkerstufe möglichst hohe Verstärkung zu schaffen, stAtt in den
nachfolgenden Stufen. Auch da hättest du noch Verbesserungspotential.
Aber in deiner Anwendung wirst du eh kein Problem mit Rauschen haben.
Was den Aufbau mit den 2 Lichtschranken angeht, so würde ich anders und
einfacher aufbauen.
Als Sender reicht eine LED, deren Licht auf den Rohrdurchmesser
aufgefächert wird. Um eine gut definierte Empfangsebene zu erhalten,
sollte eine Schlitzblende benutzt werden. Vor der Fotodiode kann eine
Sammelinse gesetzt werden, die ebenfalls die Breite des Rohres auf die
Fotodiode abbildet.
Jeder Körper, der da durch fällt, erzeugt je nach Größe einen Impuls,
der rel. leicht auszuwerten sein sollte.
Um noch eine größere Empfindlichekit dieser Impulse gegenüber dem
Gleichlicht der Sende-LED zu erreichen, kann man auch diese Modifikation
einers Transimpedanzverst. nutzen.
http://uwiatwerweisswas.schmusekaters.net/Uwi/ELEKTRONIK/Opto_Laser/Fotoverst%e4rker.PDF
Gruß Öletronika
Timm T. schrieb:> Stefan schrieb:>> Es gibt keine Optik.. wie soll die auch aussehen?>> Diodenlaser, Linienoptik (gibts im Baumarkt), Einkopplung über Fischauge> (Türspion) erzeugt eine waagerechte Linie.
ja ok. was es gibt ist schon klar. war eher auf die praktische
unterbringung in dem rohr bezogen. die bauteile in deinen links sind mir
allerdings neu! interessant.
Timm T. schrieb:> weil:> - deutlich höhere Empfindlichkeit> - deutlich schneller, da große Diodenfläche = große Kapazität = langsam
1. ja. aber ich sehe mir auch nur den ac-teil an. sollte dann keine
nachteile in der empfindlichkeit geben. hab ich nen denkfehler?
2. richtig. durchs negative vorspannen habe ich jedoch die gleiche cap.
wie eine einzelne diode. sollte reichen. ich schae mir ja keine mhz an
;-)
Lurchi schrieb:> eher anders anordnen: etwa gegenüber,> mit etwa 5 Empfängern an der einen Seite und ähnlich vielen LEDs> gegenüber.
muss ich segen wie es im testaufbau läuft. vielleicht komme ich darauf
zurück. danke.
Lurchi schrieb:> Eine ganz andere Möglichkeit wäre die Messung im Dunkelfeld, also so> dass nicht das direkte Licht gemessen wird, sondern die Streuung an der> Kugel.
puhh :-) auch nicht schlecht. bleibt im kopf.
U. M. schrieb:> bei einer Rückkopplung mit 100k bewegst du dich ein paar Größenordnungen> unterhalb der typischen Anwendungen von wirklich empfindlichen> Sensorschaltungen. Da wird fast jeder OPV für taugen.
wird evtl. noch mehr werden.
Stefan schrieb:> Frank schrieb:>> Dein Filter ist theoretisch ein Bandpassfilter, praktisch ist er aber>> imperfekt, weil das Band sehr eng ist.> So solls sein..
Das er Dein Nutzsignal wegfiltert? Weil der Tiefpass zu hoch und der
Hochpass zu tief ist, wird alles gefiltert, das meine ich damit, daß das
Band zu eng ist.
> Frank schrieb:>> Du unnötig viel (1>> dB) vom gerade mit Mühe und TIA gewonennen Nutz-Signal.> Welches genau in dem Frequenzband vom BP liegt und sommit doch optimal> ist!?
Das Nutzsignal wegzufiltern ist nicht optimal (s.o.).
> Mir gings aber nur um die Eingangsfrage.. Welcher ist besser? Die> Ansätze zum Berechnen könnte man noch weiter diskutieren.. Da es> wirklich für eine Grobe Abschätzung interessant wäre..
Wie gesagt, je mehr Eingangswiderstand umso besser. Also der von den
beiden ist besser, der mehr Eingangswiderstand hat.
Frank schrieb:> Das er Dein Nutzsignal wegfiltert? Weil der Tiefpass zu hoch und der> Hochpass zu tief ist, wird alles gefiltert, das meine ich damit, daß das> Band zu eng ist.
ok. Wie weit legt man die Grenzen auseinaner? Ich dachte hierfür gibt es
die -3dB Marke..und berechnet sich dann die benötigte Filterbreite..
Oder noch den Faktor 2 drauf??
Confused..
Lurchi schrieb:> Eine ganz andere Möglichkeit wäre die Messung im Dunkelfeld, also so> dass nicht das direkte Licht gemessen wird, sondern die Streuung an der> Kugel.> Die Empfänger sehen also ohne Kugel idealerweise kein Licht, und erst> die Kugel gibt dann ein Signal. Das gibt dann weniger Signal, aber je> nach Aufbau auch weniger Hintergrund.
Ich mache jetzt mal hiermit weiter..
Vortest mit einem Lichtvorhang mittels Laser ergab, dass der Laserstrahl
(Laserppinter) nur ca. 10-15x von den Spiegel reflektiert wird, bevor er
an Intensität bei 0 ist...
Also gehe ich jetzt auf die Möglichkeit der Reflexion der Kugel ein.
Grüße
TIA.PNG
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