Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Widerstände zwischen OpAmp und ADCs


Announcement: there is an English version of this forum on EmbDev.net. Posts you create there will be displayed on Mikrocontroller.net and EmbDev.net.
von Sebastian S. (godito)


Angehängte Dateien:

Lesenswert?

Hallo zusammen,
ich habe eine Verständnisfrage zu einer Transimpedanzschaltung mit 
AD-Wandler dahinter wie im Bild. Links reicht eine einfache Verstärkung 
aus, rechts muss ein Preamp mit hin.
Mich interessieren die Widerstände R1, R2 und R3. Was wären denn 
vernünftige Werte? Ich habe in design recommendations einige 10 Ohm 
gesehen bis zu 100kOhm. In verschiedenen Posts habe ich diverse 
Meinungen gefunden, die aber stets unbegründet blieben. So wie ich es 
verstehe, soll R2 den Strom zwischen den beiden Verstärkern niedrig 
halten. Dann müssten aber doch ein paar kOhm reichen, oder?
Hat der Wert von R3 im Vergleich zu R7 (hier: 270kOhm) einen Effekt auf 
die über den R6/R7 Spannungsteiler eingestellte Verstärkung?
Die OpAmps bekommen 5V (single supply), der AD-Wandler ist ein ADS1115.
Vielen Dank schon mal für alle Antworten, ich lerne immer gerne was 
neues dazu (googlen kann ich schon, ich habe einiges gelesen, aber finde 
diese Frage hier zu stellen gerechtfertigt).
Schöne Woche
Sebastian

von W.A. (Gast)


Lesenswert?

R1 und R3 werden dafür sorgen, dass die OPs IC1 bzw. IC4A trotz C18 bzw. 
C20 stabil arbeiten und nicht mangels Phasenreserve anfangen zu 
schwingen.

Sebastian S. schrieb:
> so wie ich es verstehe, soll R2 den Strom zwischen den beiden
> Verstärkern niedrig halten.

Warum soll großartig Strom in den nicht invertierenden Eingang von IC4A 
fließen. Der ist als Elektrometereingang beschaltet, also nur Bias Strom

von U. M. (oeletronika)


Lesenswert?

Hallo,
> Sebastian S. schrieb:
> Mich interessieren die Widerstände R1, R2 und R3.
R1 & C18 und R2 & C20 bilden je einen Tiefpass.
Den stellt man so ein, dass das Nutzsignal gut durchgelassen wird, aber 
höherfrequente Störungen und Rauschen geglättet wird.

R2 ist nicht unbedingt nötig.
Schaded aber auch nicht. Je nach Anfoderungen kann man damit z.B. auch 
den Bias-Strom kompensieren.
siehe hier S.263:
http://prof-gossner.eu/pdf/15-Operationsverstaerker-Grundschaltungen.pdf

> Was wären denn
> vernünftige Werte? Ich habe in design recommendations einige 10 Ohm
> gesehen bis zu 100kOhm.
Woher sollen wir wissen, wofür deine Schaltung ausgelegt sein soll.
Du hast rein gar nix dazu bekannt gegeben.

> Hat der Wert von R3 im Vergleich zu R7 (hier: 270kOhm) einen Effekt auf
> die über den R6/R7 Spannungsteiler eingestellte Verstärkung?
Nein.

> Die OpAmps bekommen 5V (single supply), der AD-Wandler ist ein ADS1115.
Am Eingang von ADC wird meist ein C empfohlen, um einen Spannungeinbruch 
durch das Aufladen des C im Eingang der S&H-Stufe zu vermeiden.
Gruß Öletronika

von Sebastian S. (godito)


Lesenswert?

U. M. schrieb:
>> Was wären denn
>> vernünftige Werte? Ich habe in design recommendations einige 10 Ohm
>> gesehen bis zu 100kOhm.
> Woher sollen wir wissen, wofür deine Schaltung ausgelegt sein soll.
> Du hast rein gar nix dazu bekannt gegeben.

Entschuldigung, ich kanns gerne ausführlicher machen: die linke 
Geschichte misst sichtbares Licht, die rechte UV-A Strahlung, beides aus 
natürlichem Sonnenlicht. Ich messe ein paarmal pro Minute und berechne 
den Mittelwert über die Minute. Ich habe also ein ziemlich statisches 
Signal, keine Frequenzanforderungen.

von U. M. (oeletronika)


Lesenswert?

Sebastian S. schrieb:
> Ich habe also ein ziemlich statisches
> Signal, keine Frequenzanforderungen.
Ok, dann ist das alles sehr unkritisch.

Dann kannst du dir Tiefpässe rel. lahm anlegen.
R1 und R3 10...100k, evtl. auch C18 / C20 größer z.B. 1...10uF

R2 z.B. 6,8k wie R8.

Und übrigens, ich meine du mußt in der 2. Schaltung nicht extra einen 
anderen OPV-Typ einsetzen. Da würde der OPA336 sicher auch genügen oder 
evtl. sogar deutlich besser sein.
Mit der Verstärkung von der 2. Stufe = ca. 40 x 1MOhm würde ein 
Biasstrom von 10pA gerade mal 40(Exp6)V/A x 10(Exp-12) = 40uV am ADC 
ausmachen.

Das ist gegenüber dem max. Input-Offset des LM6042 völlig 
vernachlässigbar.
Der OPA336 wird aber nur mit ca. 60uV Offset angegeben.

Wenn man nicht gerade nahe der max. Einsatztemp. arbeitet, ist der 
Biasstrom des OPA336 aber eh nur in der Größe ca. 1pA.
Gruß Öletronika

von Sebastian S. (godito)


Lesenswert?

Hallo Öletronika,
vielen Dank für die Erklärungen. Das heißt, dass meine Schaltung im 
Großen und Ganzen passt.
Zu den OpAmps: ich habe für die UV-Diode den LM6042 vorgesehen, weil ich 
verstanden habe, dass der Photostrom der Diode in eine korrespondierende 
Spannung umgesetzt wird; daher erschien mir ein geringer bias current 
wichtiger als die offset voltage.
Die zweite Stufe verstärkt aber nur eine Spannung, daher habe ich den 
336er gewählt, da die offset voltage niedrig ist. Hab ich da was 
missverstanden?
An der Diode für sichtbares Licht ist der Signalstrom so hoch, dass es 
der 336er tut.
Grade hab ich noch den LMC6082AI gefunden, der könnte evtl. noch mehr 
rausholen und ich könnte die Platine, die ich schon habe, weiter 
benutzen. Aber vermutlich kann man lange rumüberlegen und muss 
irgendwann einfach mal eine Entscheidung fällen, oder?
Schöne Grüße
Sebastian

von U. M. (oeletronika)


Lesenswert?

Hallo,
> Sebastian S. schrieb:
> Zu den OpAmps: ich habe für die UV-Diode den LM6042 vorgesehen, weil ich
> verstanden habe, dass der Photostrom der Diode in eine korrespondierende
> Spannung umgesetzt wird; daher erschien mir ein geringer bias current
> wichtiger als die offset voltage.
Aber der Offset ist deswegen ja nicht weg. Der wirkt trotzdem und mir 
scheint, dass der mehr ausmacht, als der Offset durch den Biasstrom.
Der Biasstrom her scheint mir aber auch beim OPA336 völlig unkritisch.
Die Fotodiode hat auch noch einen gewissen Leckstrom.
Aber egal, wieviel Offset du hast, kannst du ja leicht prüfen, indem du 
die Fotodiode komplett abdeckst.
Hast du für die UV-Messung auch eine passenden Diode mit erhöhter 
UV-Empfinflichkeit gewählt?

> Die zweite Stufe verstärkt aber nur eine Spannung, daher habe ich den
> 336er gewählt, da die offset voltage niedrig ist. Hab ich da was
> missverstanden?
Das ist im Prinzip schon ok. Aber wenn schon, dann hättest du auch noch 
einen OPV mit deutlich weniger Offset nehmen können.

Wenn der OPA336 angenommen 60uV Offsetspannung am Eingang hat, dann wird 
er eh bei Gain ca. 70 am Ausgang eine Offsetspannung von über 4mV 
ausgeben.
Bezogen auf einen ADC-Bereich von z.B. 5V ist das aber auch sehr wenig.
Ich weiß ja nicht, welche Auflösung und Genauigkeit du haben möchstest.
Gruß Öletronika

von Lurchi (Gast)


Lesenswert?

Der LMC6042 hat sehr wenig bias Strom, dafür aber vergleichsweise viel 
Spannungs-Rauschen. Wenn nicht gerade die Fotodiode sehr klein und 
Leckstromarm ist, wäre vermutlich ein Typ mit weniger Spannungsrauschen 
und dafür mehr Stromrauschen besser. Der LMC6042 wäre ggf. etwas wenn 
man es mit nur einem OP und dann 40 M in der Rückkopplung machen will. 
Das würde auch Strom sparen.

Wenn man nur so langsam messen will, sollte die Kapazität in der 
Rückkopplung größer werden. Auch da kann man schon die unnötig hohen 
Frequenzen unterdrücken.

Wirklich kritisch ist es vermutlich sowieso nicht, weil das 
Schrotrauschen des Photostromes sowieso in den meisten Fällen dominieren 
wird.

von Sebastian S. (godito)


Angehängte Dateien:

Lesenswert?

U. M. schrieb:
> Hast du für die UV-Messung auch eine passenden Diode mit erhöhter
> UV-Empfinflichkeit gewählt?

Ja, habe ich. Roithner hat günstige SMD-Dioden im Sortiment.

> Wenn der OPA336 angenommen 60uV Offsetspannung am Eingang hat, dann wird
> er eh bei Gain ca. 70 am Ausgang eine Offsetspannung von über 4mV
> ausgeben.
> Bezogen auf einen ADC-Bereich von z.B. 5V ist das aber auch sehr wenig.
> Ich weiß ja nicht, welche Auflösung und Genauigkeit du haben möchstest.
> Gruß Öletronika

Mich interessiert im Grunde die Tagesdosis an Strahlung. Daher muss ich 
während der Dämmerung nicht wahnsinnig genau messen. Der ADS1115 macht 
15 bit (singled ended verliere ich eines), das heißt pro bit sinds 
0.2304 mV (weil ich mit 2/3 gain messe).
Meine Dunkelwerte sind im Moment 12 (PAR = sichtbar), 85 (UV-A) und 650 
+/- 150 (UV-B). Letzteres bedarf noch dringend einer Verbesserung. Ich 
hab ein Bild mit der aktuellen Beschaltung angelegt, das ist noch eine 
ältere Version mit dem 2336er und drei Dioden.
Lurchi, die Diode hat 1nA Dunkelstrom und 69 nA bei 10W/m² (ich erwarte 
maximal 3W/m² an einem perfekten Tag in Äquatornähe).
Vermutlich wären die Messergebnisse deutlich besser, wenn ich dual 
supply OpAmps nehme und nicht so sehr aufs Budget schiele, aber genau 
das ist ein wesentliches Designkriterium; daher habe ich auch die 
kleinen SMD-UV-Dioden gewählt und keine dicken, von denen eine gleich 
mal mit 100€ zu Buche schlägt.
Wenn ich das Design im großen und ganze so nehmen muss, wo sind die 
Optimierungspunkte? Wie kriege ich den offset runter? Erste Stufe 
stärker, zweite schwächer? Guardring habe ich um die invertierenden 
Eingänge.

Antwort schreiben

Die Angabe einer E-Mail-Adresse ist freiwillig. Wenn Sie automatisch per E-Mail über Antworten auf Ihren Beitrag informiert werden möchten, melden Sie sich bitte an.

Wichtige Regeln - erst lesen, dann posten!

  • Groß- und Kleinschreibung verwenden
  • Längeren Sourcecode nicht im Text einfügen, sondern als Dateianhang

Formatierung (mehr Informationen...)

  • [c]C-Code[/c]
  • [code]Code in anderen Sprachen, ASCII-Zeichnungen[/code]
  • [math]Formel in LaTeX-Syntax[/math]
  • [[Titel]] - Link zu Artikel
  • Verweis auf anderen Beitrag einfügen: Rechtsklick auf Beitragstitel,
    "Adresse kopieren", und in den Text einfügen




Bild automatisch verkleinern, falls nötig
Bitte das JPG-Format nur für Fotos und Scans verwenden!
Zeichnungen und Screenshots im PNG- oder
GIF-Format hochladen. Siehe Bildformate.
Hinweis: der ursprüngliche Beitrag ist mehr als 6 Monate alt.
Bitte hier nur auf die ursprüngliche Frage antworten,
für neue Fragen einen neuen Beitrag erstellen.

Mit dem Abschicken bestätigst du, die Nutzungsbedingungen anzuerkennen.