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Hallo, ich habe einen Transpimedanzverstärker mit einer Photodiode gebaut, um die PWM der Hintergrundbeleuchtung eines Displays untersuchen zu können. Es geht also um Frequenzen im Bereich von wenigen kHz. Dabei habe ich mich orientiert an https://www.mikrocontroller.net/articles/Lichtsensor_/_Helligkeitssensor#Konstantstromquelle_mit_Transimpedanzverst.C3.A4rker Die Schaltung ist im Moment auf einem Steckbrett aufgebaut. Die beiden Screenshots aus dem Oszi sind von diesem Aufbau. Ich würde die Schaltung nun gerne auf einer Lochrasterplatine löten und in ein Gehäuse einbauen. Dazu habe ich folgende Fragen: 1. Ist es mit einfachen Mitteln möglich, das Rauschen weiter zu vermindern? 2. Bringt es Vorteile, die Schaltung in ein Weißblechgehäuse zu bauen oder ist eine Kunststoffgehäuse genau so gut? 3. Ich würde gerne eine BNC-Buchse an das Gehäuse bauen, damit man ein Oszilloskop möglichst einfach anschließen kann. Muss ich dabei darauf achten, dass der Ausgangswiderstand 50Ohm beträgt? Falls ja, wie macht man das? Mit einem 50Ohm-Widerstand in Reihe? 4. Ich würde den Rückkopplungswiderstand gerne in eine Stiftleiste stecken, damit man ihn auswechseln kann, um die Transimpedanzverstärkung einstellen zu können. Kann ich dazu auch einen Spindeltrimmer nehmen oder könnte der das Rauschen negativ beeinflussen? Habt ihr weitere Tipps zu der Schaltung? Vielen Dank und viele Grüße Michael
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Für weniger Rauschen kann man einen besseren OP nehmen - der LM358 ist nicht gerade rauscharm. Auch kann es helfen, wenn die Photodiode etwas Vorspannung hat. Ein Metallgehäuse ist schon ein Vorteil, auch einfach ein Blech zur Abschirmung im Kunststoffgehäuse ist auch schon ein Fortschritt. Bei der Geschwindigkeit eines LM358 braucht man noch keine 50 Ohm Terminierung. Dafür würde man einen ca. 50 Ohm Widerstand zwischen OP Ausgang und die BNC Buchse schalten. Die meisten OPs mögen keine Kapazitive Last am Ausgang (zumindest leidet die Phasenreserve) - um den OP von der Kapazität des Kabel zu isolieren schaltet man i.A. einen Widerstand wie bei der Terminierung zwischen OP und Ausgangsbuchse. Da sind dann auch etwas mehr als 50 Ohm erlaubt, z.B. 220 Ohm. Ein Steckbarer Widerstand ist kein Problem. Ein Spindeltrimmer ist nur begrenzt sinnvoll, denn die Anpassung ist eher eine Frage der Zenerpotenz (z.B. 100 K 1 M 10 M), viel mehr als einen Faktor 10 kann man auch mit dem Spindeltrimmer nicht gut einstellen. Trimmer über 1 M sind auch selten.
Ich finde die Schaltung nicht sehr geschickt, der Ausgang des OPV hängt um die 0V und damit auch die Eingänge. Irgendwie fehlt da entweder eine negative Supply oder man baut sich mit Widerständen als Spannungsteiler ein Mittelpotential. >1. Ist es mit einfachen Mitteln möglich, das Rauschen weiter zu >vermindern? Möglicherweise hängt das mit der Supply zusammen, aber ansonsten ist der Transimpedanzverstärker prinzipiell ein rauscharmes Konzept. Ansonsten könnte man modernere rauschärmere OPV nehmen, der LM358 ist ja schon etwas angestaubt. >2. Bringt es Vorteile, die Schaltung in ein Weißblechgehäuse zu bauen >oder ist eine Kunststoffgehäuse genau so gut? Eine Schirmung ist immer besser als keine... ob es in dem Fall viel ausmacht musst du probieren >3. Ich würde gerne eine BNC-Buchse an das Gehäuse bauen, damit man ein >Oszilloskop möglichst einfach anschließen kann. Muss ich dabei darauf >achten, dass der Ausgangswiderstand 50Ohm beträgt? Falls ja, wie macht >man das? Mit einem 50Ohm-Widerstand in Reihe? Der Eingang des TIV ist niederohmig, deshalb braucht es keine 50 Ohm. Normalerweise achtet man bei so einem Konzept auf möglichst wenig Kapazität auf der Verbindung Photodiode-TIV, weil diese die Bandbreite reduziert. Wenn dich nur Kilohertz interessieren kann es dir vermutlich egal sein. >4. Ich würde den Rückkopplungswiderstand gerne in eine Stiftleiste >stecken, damit man ihn auswechseln kann, um die Transimpedanzverstärkung >einstellen zu können. Kann ich dazu auch einen Spindeltrimmer nehmen >oder könnte der das Rauschen negativ beeinflussen? Einen Trimmer kannst du problemlos nehmen
1. Du könntest das Signal vergrößern, indem du eine größere Photodiode nimmst und die mit negativer Vorspannung betreibst (Anode an GNDPWR). Du könntest einen vernünftigen OPV nehmen. 2. Schirmung ist immer gut, hilft aber nicht gegen Rauschen des Sensors/OPV. 3. Die BNC-Buchse kannst du einfach einbauen. Wenn du ein 50R-Kabel anschließen willst, schalte 50R in Reihe zum Ausgang des OPV. 4. Keine gute Idee, weil der empfindliche Summierpunkt dann groß wird und Störungen einfangen kann. Michael B. schrieb: > Habt ihr weitere Tipps zu der Schaltung? Den Spannungsteiler kapazitiv abblocken.
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Vielen Dank für alle Antworten. Ich habe noch einige Nachfragen: ArnoR schrieb: > Den Spannungsteiler kapazitiv abblocken. Soll ich dazu einen Kondensator (z.B. 100nF) zwischen GND und GNDPWR einbauen? Was ist der Sinn davon? GND stabil zu halten? Bernhard S. schrieb: > Ich finde die Schaltung nicht sehr geschickt, der Ausgang des OPV hängt > um die 0V und damit auch die Eingänge. Irgendwie fehlt da entweder eine > negative Supply oder man baut sich mit Widerständen als Spannungsteiler > ein Mittelpotential. Das verstehe ich leider nicht. Als Betriebsspannung verwende ich eine 9V-Blockbatterie (VCC und GNDPWR). Mit dem Spannungsteiler (5k1 und 5k1) lege ich GND fest. GNDPWR ist nun die negative Versorgungsspannung und liegt etwa bei -4,5V (bezogen auf GND). Ich tue hier doch genau das, was du schreibst? Oder verstehe ich dich falsch? Der Ausgang des OPV liegt zwischen 0V und 4,5V (bezogen auf GND), je nachdem, wie hell es ist. Der Screenshot des Oszis, der das Rauschen zeigt, ist übrigens in AC-Kopplung aufgenommen, der andere Screenshot in DC-Kopplung; das hätte ich besser im ersten Post noch geschrieben. Bernhard S. schrieb: > Der Eingang des TIV ist niederohmig, deshalb braucht es keine 50 Ohm. Verstehe ich leider auch nicht. Bei dem Ausgangswiderstand der Schaltung geht es doch um die Verbindung zwischen Schaltung und Oszilloskop. Was hat das mit dem Eingangswiderstand der TIV zu tun? Lurchi schrieb: > Bei der Geschwindigkeit eines LM358 braucht man noch keine 50 Ohm > Terminierung. Dafür würde man einen ca. 50 Ohm Widerstand zwischen OP > Ausgang und die BNC Buchse schalten. Die meisten OPs mögen keine > Kapazitive Last am Ausgang (zumindest leidet die Phasenreserve) - um den > OP von der Kapazität des Kabel zu isolieren schaltet man i.A. einen > Widerstand wie bei der Terminierung zwischen OP und Ausgangsbuchse. Da > sind dann auch etwas mehr als 50 Ohm erlaubt, z.B. 220 Ohm. Nur um sicher zu gehen: Du meinst das so wie im Bild zu diesem Post? Den LM358 habe ich genommen, weil er in dem Beispiel drin war und auch bei mir vorrätig war. Ich werde mich dann mal auf die Suche nach einem anderen OPV begeben. Vielen Dank für alle Antworten Michael
>Das verstehe ich leider nicht. Ach! Den linken Teil hatte ich komplett übersehen, nein dann ist alles in Ordnung. Jetzt verstehe ich auch Arnos Beitrag >Den Spannungsteiler kapazitiv abblocken. Das solltest du unbedingt machen. >Verstehe ich leider auch nicht. Bei dem Ausgangswiderstand der Schaltung >geht es doch um die Verbindung zwischen Schaltung und Oszilloskop. Was >hat das mit dem Eingangswiderstand der TIV zu tun? Ich sollte gründlicher lesen... ich war gedanklich am Eingang. Meine Überlegungen gelten, falls du die Diode aus dem Gehäuse nach draußen führen solltest. Was den Ausgang betrifft: Ich unterstütze die Idee mit dem Serienwiderstand.
Michael B. schrieb: > Soll ich dazu einen Kondensator (z.B. 100nF) zwischen GND und GNDPWR > einbauen? Was ist der Sinn davon? GND stabil zu halten? Würde ich auf jeden Fall machen, die VCC/2 (GNDPWR) würde ordentlich AC-mäßig festzurren (mehr als 100nF!) daß da nichts wackeln kann. Andernfalls wedelt der OP bei Belastung seines Ausgangs gegen GND(!) mit der (gegenüber GND lose herumhängenden) Versorgungsspannung herum wie ein Schwanz mit dem dazugehörigen Hund, wenn du Pech hast fängt es auch noch an zu schwingen.
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Der NE5532 ist zwar Rauscharm - aber nur bei einer niederohmigen Quelle. Für den TIA hier hat er zu viel Stromrauschen und wird hier sogar noch mehr rauschen als der LM358. Ein passende Wahl wären eher JFET basiere OPs wie etwa TL071 (aber wegen der kleinen Spannung nicht so gut, und hoher Stromverbrauch), TL061, OPA170 / OPA171 oder wenn man es auf die Spitze Treiben will ein OPA140. Rauscharme OPs verbrauchen aber auch mehr Strom. Ein Kondensator am Spannungsteiler für die Virtuelle Masse hilft ein wenig dort Schwankungen zu reduzieren, vor allem wenn die Widerstände größer werden. Mit nur dem einen OP in der Schaltung und Batteriebetrieb geht es ggf. auch ohne. Mit Kondensator könnte man ggf. etwas größere Widerstände (z.B. 50 K) nutzen. Bei Batteriebetrieb kann man auf die 100 µF an der Versorgung verzichten. Der Widerstand am Ausgang passt so wie gezeigt schon.
Bernhard S. schrieb: > Ich finde die Schaltung nicht sehr geschickt, der Ausgang des OPV hängt > um die 0V und damit auch die Eingänge. Was stört dich daran. Der OP arbeitet mit +/-2.5V und sowohl Ein- als auch Ausgang liegen schön in der Mitte. Gegen eine möglicherweise schädlichen Einfluss der Sperrschichkapazität der PD könnte man sie mit einer kräftigen Gleichspannung in Sperrichtung vorspannen. n.b. Auf die Zeitkonstante (680k||15pF) würde ich bei einem Steckbrettaufbau nichts geben.
Michael B. schrieb: > Muss ich dabei darauf > achten, dass der Ausgangswiderstand 50Ohm beträgt? Nein, Oszilloskope haben meistens keinen 50-Ohm-Eingang, der Eingangswiderstand der BNC-Anschlüsse beträgt fast immer 1 MOhm. Ausserdem kann dein Ausgang garkeine 50-Ohm-Leitung treiben, dazu müsste er ja bei z.B. 3 V Ausgang 60 mA liefern. Der 50-Ohm-Widerstand ist daher nicht nur unnötig sondern auch annähernd wirkungslos. 50-Ohm braucht man für HF, so von einigen zig MHz aufwärts. Aber dann muss auch alles darauf ausgelegt sein. Georg
Georg schrieb: > Nein, Oszilloskope haben meistens keinen 50-Ohm-Eingang, der > Eingangswiderstand der BNC-Anschlüsse beträgt fast immer 1 MOhm. Selbst die preiswertesten China-Oszilloskope kann man umschalten zwischen 1M und 50 Ohm.
Lurchi schrieb: > Ein Kondensator am Spannungsteiler für die Virtuelle Masse hilft ein > wenig dort Schwankungen zu reduzieren, vor allem wenn die Widerstände > größer werden. Es ist in dieser gezeigten Schaltung absolute Pflicht die virtuelle Masse niederohmig zu machen, denn diese virtuelle Masse wird in der gezeigten Schaltung mit 50 Ohm belastet (vom Ausgang des OP-Amp 50 Ohm nach GND).
Mit 50 Ohm Belastet wird die Virtuelle Masse nur, wenn der Ausgang kurzgeschlossen wird und 50 Ohm für den Ausgang benutzt werden. Für Viele OPs sind 50 Ohm sowieso zu niederohmig und selbst mit 50 Ohm Eingang am Oszilloskop hätte man 100 Ohm als Last. Für ein DC Signal hilft da auch ein Kondensator nicht viel sonst ist man auf etwa 1 mA Ausgangsignal beschränkt - immer noch gerade so genug für ein Scope. Für den Fall sollte man schon die 2. Hälfte vom LM358 als Puffer für die virtuelle Masse nutzen. Da sich alles auf die Virtuelle Masse bezieht, macht es auch nichts wenn die etwas nachgibt. Meist wird man Oszilloskop mit 1 M Eingangsimpedanz nutzen. Dann darf der Widerstand am Ausgang auch größer (z.B. 220 Ohm-1 K) werden. Wegen der Kapazität des Kabels kann da ein wenig Kapazität an der virtuellen Masse nötig sein.
@Michael B. (mich_at_el) >ich habe einen Transpimedanzverstärker mit einer Photodiode gebaut, um >die PWM der Hintergrundbeleuchtung eines Displays untersuchen zu können. Die liegt im Bereich von 0,1-1kHz, also eher langsam. >1. Ist es mit einfachen Mitteln möglich, das Rauschen weiter zu >vermindern? Warum? Du hast ca. 2mVpp Rauschen, das mindestens zur Hälfte vom Oszi kommt. Die Nadelpulse sind induktive Einkopplungen von deinem PWM-Generator und deiner riesigen Masseschleife am Tastkopf. https://www.mikrocontroller.net/articles/Oszilloskop#Tastk.C3.B6pfe_richtig_benutzen >2. Bringt es Vorteile, die Schaltung in ein Weißblechgehäuse zu bauen >oder ist eine Kunststoffgehäuse genau so gut? Für deine Anwendung reicht ein Kunststoffgehäuse. >3. Ich würde gerne eine BNC-Buchse an das Gehäuse bauen, damit man ein >Oszilloskop möglichst einfach anschließen kann. Muss ich dabei darauf >achten, dass der Ausgangswiderstand 50Ohm beträgt? Nein, das mancht man nur bei echter HF. Hier ist ein 1MOhm Eingang am Oszi vollkommen OK und auch deutlich einfacher handhabbar. GGf. sollte man naoch ca. 10-500 Ohm In Reihe zum Ausgang des OPV schalten, damit die kapazitive Last eines langen Koaxkabel den OPV nicht instabil macht. Aber wenn du nur 1-2m Koaxkabel anschließt kann man den auch weglassen. >4. Ich würde den Rückkopplungswiderstand gerne in eine Stiftleiste >stecken, damit man ihn auswechseln kann, um die Transimpedanzverstärkung >einstellen zu können. Kann ich dazu auch einen Spindeltrimmer nehmen Ja. >oder könnte der das Rauschen negativ beeinflussen? Nicht bei deinen Anforderungen. >Habt ihr weitere Tipps zu der Schaltung? Vergiss deine virtuelle Masse. Erstens ist die viel zu hochohmig und zweitens brauchst du sie nicht. Mach nur eine Masse, das reicht. Für ein paar kHz PWM braucht die Photodiode keine negative Vorspannung, die ist auch so schnell genug. Wenn du schon eine virtuell Masse nutzen willst, dann nimm den 2. OPV im Gehäuse um diese niederohmig zu puffern! Sprich, der 2. OPV arbeitet als einfacher Spannungsfolger zwischen dem hochohmigen Spannungsteiler und der virtuellen Masse.
Falk B. schrieb: > Warum? Du hast ca. 2mVpp Rauschen, das mindestens zur Hälfte vom Oszi > kommt. Die Nadelpulse sind induktive Einkopplungen von deinem > PWM-Generator > und deiner riesigen Masseschleife am Tastkopf. Danke für den Hinweis. Die Nadelimpulse konnte ich mir wirklich nicht erklären. Wenn ich später eine BNC-Buchse möglichst nah an den OPV baue, sollten die induktiven Einkopplungen ja geringer sein. Falk B. schrieb: > Vergiss deine virtuelle Masse. Erstens ist die viel zu hochohmig und > zweitens brauchst du sie nicht. Mach nur eine Masse, das reicht. Für ein > paar kHz PWM braucht die Photodiode keine negative Vorspannung, die ist > auch so schnell genug. Bedeutet das, dass ich pin 3 (+) auf GNDPWR (Minuspol der Batterie) legen soll? Lurchi schrieb: > Für den Fall sollte man schon die 2. Hälfte vom LM358 als Puffer für die > virtuelle Masse nutzen. Falk B. schrieb: > Wenn du schon eine virtuell Masse nutzen willst, dann nimm den 2. OPV im > Gehäuse um diese niederohmig zu puffern! Sprich, der 2. OPV arbeitet als > einfacher Spannungsfolger zwischen dem hochohmigen Spannungsteiler und > der virtuellen Masse. Das habe ich ausprobiert, hatte dann aber am Ausgang des OPV im Transimpedanzwandler eine regelmäßige Schwingung, deren Amplitude deutlich größer als 2mV war. Leider habe ich keinen Screenshot am Oszi gemacht. Ich hatte den Ausgang des zweiten OPV (der als Spannungsfolger arbeiten sollte) direkt auf pin 3 (+) des OPVs im Transimpedanzwandler gelegt. Falls das so nicht nachvollziehbar ist, kann ich das auch nochmal aufbauen und einen Screenshot machen. Wie kriege ich diese Schwingung weg? Noch eine Frage zum Begriff "virtuelle Masse". Ich dachte eigentlich, dass das Potential an Pin 2 (-) hier die virtuelle Masse ist, habe aber den Eindruck, dass ihr GND meint. Was genau meint ihr mit "virtuelle Masse"? Viele Grüße und vielen Dank Michael
@Michael B. (mich_at_el) >erklären. Wenn ich später eine BNC-Buchse möglichst nah an den OPV baue, >sollten die induktiven Einkopplungen ja geringer sein. Ja. >Bedeutet das, dass ich pin 3 (+) auf GNDPWR (Minuspol der Batterie) >legen soll? Ja. >Wie kriege ich diese Schwingung weg? Miss erstmal nach, was da WIRKLICH schwingt. Vielleicht ist es nur ein Meßfehler. >Noch eine Frage zum Begriff "virtuelle Masse". Ich dachte eigentlich, >dass das Potential an Pin 2 (-) hier die virtuelle Masse ist, Nein, das ist die negative Versorgungsspannung, die manchmal gleich GND sein kann. >Was genau meint ihr mit "virtuelle Masse"? Eben eine Masse, die aktiv hergestellt wird, in diese Fall durch einen Spannungsteiler + OPV als Puffer. Eine echte Masse wäre z.B. wenn man 2 9V Blöcke in Reihe schaltet und den Mittelabgriff als Masse nutzt. Diese Masse ist mit dem vollen Strom der 9V Blöcke belastbar. Der Unterschied zur echten Mass ist halt, daß diese Masse ein wenig schlechter ist, d.h. man kann nicht soviel Strom in diese virtuelle Masse fließen lassen und HF-mäßig ist sie auch schlechter. Für viele Anwendungen reicht es aber.
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