Transimpedanzverstärker + Bias Offset Vcc/2 = Oszillation

[Flo (Gast)]

Guten Abend allerseits!

Ich baue gerade eine Schaltung auf, um den Verschiebungsstrom (engl. 
displacement current) in einem sehr kleinen Plattenkondensator (< 15 pF) 
zu messen. Dazu verwende ich einen Transimpedanzverstärker mit 
Verstärkung 1M und Single-Supply.

Um nun sowohl die Lade-, als auch die Entladeströme des Kondensators 
messen zu können, möchte ich gerne den nichtinvertierenden Eingang des 
OPV um Vcc/2 anheben, sodass ich dann am Ausgang des OPV in Ruhe Vcc/2 
als Bias bekomme. Gesagt, getan - nachdem ich einen hochohmigen 
Spannungsteiler 50:50 eingefügt hatte, fing der OPV direkt "ohne aktive 
Anregung" an zu schwingen.

https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/5129
In der Application Note von Maxim fand ich die Lösung, in der mit Hilfe 
eines zweiten OPV eine gepufferte Referenz aufgebaut wird. Nun habe ich 
also anstatt der Fotodiode den Kondensator zwischen der 
Referenzspannungsquelle und dem OPV-Eingang liegen und alles 
funktioniert perfekt! Da ich jedoch meine Schaltung möglichst 
energieeffizient aufbauen möchte und der Referenz-OPV mindestens genauso 
schnell sein muss, wie der Mess-OPV, gefällt mir die Lösung mit zwei 
teuren "Stromfressern" (~2 mA) nicht so recht.

Mich würde nun also interessieren: Warum fängt die Schaltung an zu 
schwingen?

Ich habe folgende Vermutungen:
Ich nehme an, dass es damit zu tun hat, dass das Potential an der 
Gegenelektrode des Kondensators ungleich dem Potential am +-Eingang des 
OPV ist. Würde ich diese Elektrode mit der Spannung aus dem 
Spannungsteiler versorgen würde es theoretisch funktionieren. Da der 
Spannungsteiler allerdings dann belastet wird, klappt das auch nicht 
mehr - richtig?
Ich dachte, dass ich den Referenz-OPV vor allem für den Spezialfall der 
Fotodiode mit ihren speziellen Eigenschaften bräuchte ...

Ich würde mich freuen, wenn ihr mich erleuchten könntet! :)
Gruß Flo

[Helmut S. (helmuts)]

Du musst parallel zu Rf einen kleinen Kondesator dazu schalten.

Die minimale Kapazität richtet sich nach der Kapazität der Diode, dem 
Widerstand Rf und dem GBW(Bandbreite) des Opamps.

https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/5129

Cf = 1/(4*pi*Rf*fgbw) * Wurzel(1+Wurzel(1+8*pi*Rf*Cj*fgbw))

Cj Kapazität der Photodiode
fgbw Bandbreite des Opamp (GBW)
Rf Widerstand

[Flo (Gast)]

Hallo Helmut,
Danke für Deine schnelle Antwort!
Momentan nutze ich den OPA320 (GBW 20MHz) mit Feedback-Netzwerk aus 
1MOhm und 10pF.
Ich habe auch andere Werte für Cf versucht, das hat allerdings alles 
nicht geholfen, der Schaltkreis hat unbehelligt davon weiter 
geschwungen.
Ich nehme an es liegt am Potentialunterschied zwischen der einen 
Elektrode des Kondensators und dem +-Eingang des OPV!?
Oder war ich schlicht zu doof und habe etwas beim Feedbackkondensator 
falsch gemacht?
Gruß Flo

PS: Über die Formel komme ich übrigens auf eine Cf Kapazität von 37,3 
fF, selbst meine anfänglichen 1pF waren also deutlich überdimensioniert. 
;)

[Helmut S. (helmuts)]

Hast du auch zwischen +V pin und -V pin(liegt bei dir an Masse) direkt 
am Opamp einen 100nF Abblockkondensator mit kurzen Anschlussdrähten?

[Flo (Gast)]

Ja, liegt direkt an :)
Also fällt Dir auch kein Grund ein, warum es nicht klappen sollte?

[Helmut S. (helmuts)]

Flo schrieb:
> Ja, liegt direkt an :)
> Also fällt Dir auch kein Grund ein, warum es nicht klappen sollte?

Da fällt mir noch etwas ein. Du solletst am Ausgang kein Koaxialkabel 
anschließen. Das hat viel zu viel Kapazität. Da müsstest du einen 
Serienwiderstand einfügen. Das gleiche gilt natürlich für die 
Oszi-Probe. Da ist nur eine 10:1 Probe am Ausgang erlaubt.

[Mani W. (e-doc)]

Und immer fehlen die Kondensatoren...


Am Spannungsteiler R1/R2 zum Beispiel hätte ich schon einen
Kondensator vom Knotenpunkt gegen Masse geschaltet...

[Flo (Gast)]

@Helmut:
Ah, daran wird es wohl liegen - Danke!
Momentan habe ich die Kapazität über 15 cm Koax-Kabel an der 
Testschaltung hängen. Laut 
http://www.thiecom.de/rg58-50-ohm-koaxialkabel.html hat RG58-Kabel etwa 
102 pF/m, was bei 15cm etwa 15,3 pF enspricht.
Bei der Größenordnung meiner Messkapazität schon ganz schön ordentlich 
...
Das werde ich morgen mal testen! :)

@Mani:
Danke für den Tipp, auch das werde ich mal ausprobieren!
Ich wollte nur möglichst wenig Komponenten einbauen, die ggf. zur 
Bildung von Schwingungen führen könnten.
Aber klar, am nichtinvertierenden Eingang mit hoher Eingangsimpedanz und 
ohne Mitkopplung dürfte das kein Problem darstellen.

Einen schönen Abend noch!

[Mani W. (e-doc)]

Flo schrieb:
> @Mani:
> Danke für den Tipp, auch das werde ich mal ausprobieren!
> Ich wollte nur möglichst wenig Komponenten einbauen, die ggf. zur
> Bildung von Schwingungen führen könnten.
> Aber klar, am nichtinvertierenden Eingang mit hoher Eingangsimpedanz und
> ohne Mitkopplung dürfte das kein Problem darstellen.

Und wenn dann doch klitzekleine Schwankungen bzw. Störungen bzw.
Rauschspannungen entstehen, dann hast Du Dein Problem wegen einem
fehlenden Kondensator bzw. Elko...