Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Verstärker und Komparator Schaltung


von Micha (Gast)



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Hallo,

anbei ist mein Schaltungsversuch aufgezeichnet. Es soll mit einem 
Fotowiderstand(G9821) ein hochfrequentes Licht(20MHz) gemessen werden. 
Dazu soll der geringe Strom des Fotowiderstandes mit dem 
OPV(LT1190)verstärkt werden. Danach wird die verstärkte Spannung mit dem 
Komparator(LT1011) in eine Rechteckspannung gewandelt.

Nun gibt es folgende Probleme:

1. Die Verstärkung von 0,1V auf 5V funktioniert nicht.
V= 1 + 49k/1k = 50
2. Das verstärkte Signal verschiebt sich langsam in den negativen 
Bereich.

Liegt das Problem an meiner Schaltung oder an Parametern des realen OPV.

Im vorraus schonmal vielen Dank für eure Hilfe.

Gruß micha

von nachtmix (Gast)


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Micha schrieb:
> Es soll mit einem
> Fotowiderstand(G9821) ein hochfrequentes Licht(20MHz) gemessen werden.

Geht wahrscheinlich überhaupt nicht.
Mir ist jedenfalls kein LDR bekannt, der so schnell wäre.

von Mark S. (voltwide)


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20MHz mit Fotowiderstand? Vergiß es.
Die schnellsten Fotowiderstände haben Ansprechzeiten im ms-Bereich.
Meines Wissens ist Cadmiumsulfid auf der Liste der verbotenen 
Substanzen.

von Achim H. (anymouse)


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* In der Simulation sehe ich keine Verbindung zwischen der 
OPV-Versorgung und der Signal-Masse.
* Wenn das zu verstärkende Sinus-Signal wirklich 20 MHz hat, dürfte 
50MHZ GWB  etwas zu wenig sein. Versuch mal in der Simu testweise eine 
viel niedrigere Frequenz.

von Michael B. (laberkopp)


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Micha schrieb:
> Liegt das Problem an meiner Schaltung

Ja. Deine 15V Versorgung ist floating.

Aber sie funktioniert sowieso nicht: Ein Fotowiderstand ist nicht so 
schnell. Du musst schon eine Photodiode verwenden.

Und warum verstärken wenn du sowieso ein Rechtecksignal haben willst ?

Und warum einen gleichspannungsgekoppelten Verstärker aufbauen, wenn du 
nur 20Khz verstärken musst ?

Photodioden würde man mit Transimpedanzverstärkern verstärken, dann ist 
das Signal exakt abhängig von der Menge dees lichteinfalls.

20MHz Signale würde man mit einem Filter verstärken, der nur 20MHz 
durchlässt. Damit wird die Schaltung umgebungslichtunabhängig und 
störfest und rauscht nicht.

Was dann als Komparatir folgt, ich denke ein sich selbst an den Pegel 
anpassender wäre wohl besser als einer der nicht reagiert.

von Achim H. (anymouse)


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.. und G9821 könnte auch eine Photodiode sein, die bis in den 
GHz-Bereich geht. Wenn es um die Verstärkung des Photodiodenstroms geht, 
scheint häufig ein Transimpedanzverstärker benutzt zu werden. Vielleicht 
solltest Du einmal diese Richtung einschlagen.

von nachtmix (Gast)


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Achim H. schrieb:
> G9821 könnte auch eine Photodiode sein, die bis in den
> GHz-Bereich geht.

Ja, und dann hat sie den Verstärker bereits eingebaut und diese 
Beschaltung ist überhaupt Murx.
https://www.hamamatsu.com/jp/en/product/alpha/P/4107/G9821-22/index.html

von Micha (Gast)


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Hallo,

ich habe mal versucht die Hinweise umzusetzten, doch nun gibt es wieder 
neue Probleme.
Die Schaltung und einen Auszug aus dem Datenblatt habe ich angehangen.

Folgendes soll mit der Schaltung umgesetzt werden:

Ein hochfrequentes Lichtsignal mittels einer Fotodiode vom Typ G9821-22 
in ein elektrisches Signal zu wandeln. Da der Ausgangsstrom der 
Fotodiode sehr klein ist, muss der Strom verstärkt werden. Dies 
geschieht mit Hilfe eines CV-OPV ( 
Current-Voltage-Operationsverstärker). Um das Messsignal digital 
auswerten zu können, wird aus der Eingangsspannung durch den Komparator 
eine Ausgangsspannung von 5V Rechteckspannung generiert.

Nun ergeben sich folgende Probleme:

1.Der Strom aus der Fotodiode ist abhängig von der 
Beleuchtungsstärke. Ist die Dimensionierung von Cf und Rf abhängig vom 
Strom und der Frequenz des Stromes aus der Fotodiode? Welche Funktion 
hat die RC-Schaltung und worauf ist sie auszulegen?

2.Auf welche Parameter ist bei der Auswahl des CV-OPV zu achten?

3.Auf welche Parameter ist bei der Auswahl des Komparators zu achten?

4.R1 und R2 sind für die Hysterese des Komparators eingebaut. R2 
beeinflusst wie breit die Hysterese wird. Muss bei hohen Frequenzen noch 
etwas Zusätzliches beachtet werden?

5.Ua soll eine 5V TTL Spannung sein. Der High-Pegel liegt bei größer 2V 
und der Low-Pegel bei kleiner 0,8 V. Um am Ausgang bei Ua einen 
High-Pegel zu erzielen, wird Uref auf 2 V gesetzt. D.h. die Hysterese 
1,2V groß sein muss, damit der Low-Pegel ab 0,8 V schaltet. Ist das 
richtig? Denn das wird bedeutet, dass der High-Pegel dann bis 0,8 V 
geht. Oder liege ich falsch?


Ich danke euch wieder im Vorraus für die vielen Hinweise.

von Falk B. (falk)


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@ Micha (Gast)

>Ein hochfrequentes Lichtsignal mittels einer Fotodiode vom Typ G9821-22

Das ist keine normale Photodiode sondern ein Photodiode + Verstärker!

Hat doch der Vorredner mit seinem Link gezeigt! Das Ding geht bis 2,5 
Gbit/s und ist für 50 Ohm Technik gedacht, was bei der Geschwindigkeit 
logisch ist!

>in ein elektrisches Signal zu wandeln. Da der Ausgangsstrom der
>Fotodiode sehr klein ist,

Der Vorverstärker liefert ein Spannungssignal mit 1,5V/mW 
Eingangsleistung.
Das ist schon recht viel.

> muss der Strom verstärkt werden.

Spannung, denn du hast keinen direkten Zugriff auf die Photodiode.

>Current-Voltage-Operationsverstärker). Um das Messsignal digital
>auswerten zu können, wird aus der Eingangsspannung durch den Komparator
>eine Ausgangsspannung von 5V Rechteckspannung generiert.

Ja. Aber da der Vorverstärker relativ gut ist, brauchst du 
wahrscheinlich nur einen Komparator.

>1.Der Strom aus der Fotodiode ist abhängig von der
>Beleuchtungsstärke. Ist die Dimensionierung von Cf und Rf abhängig vom
>Strom und der Frequenz des Stromes aus der Fotodiode?

Rf legt die Verstärkung des Transimpedanzverstärkers fest. Cf muss so 
gewählt werden, daß der Verstärker nicht schwingt.

https://www.mikrocontroller.net/articles/Lichtsensor_/_Helligkeitssensor#Konstantstromquelle_mit_Transimpedanzverst.C3.A4rker

>2.Auf welche Parameter ist bei der Auswahl des CV-OPV zu achten?

Hohe Bandbreite, wenig Eingangsstrom, ggf. wenig Rauschen.

>3.Auf welche Parameter ist bei der Auswahl des Komparators zu achten?

Er muss schnell genug sein.

>4.R1 und R2 sind für die Hysterese des Komparators eingebaut. R2
>beeinflusst wie breit die Hysterese wird. Muss bei hohen Frequenzen noch
>etwas Zusätzliches beachtet werden?

>5.Ua soll eine 5V TTL Spannung sein. Der High-Pegel liegt bei größer 2V
>und der Low-Pegel bei kleiner 0,8 V.

Dein TTL ist praktisch eher CMOS, das nahe 0V und nahe 5V liegt. Echtes 
TTL ist kaum noch in der Praxis vorhanden.

> Um am Ausgang bei Ua einen
>High-Pegel zu erzielen, wird Uref auf 2 V gesetzt. D.h. die Hysterese
>1,2V groß sein muss, damit der Low-Pegel ab 0,8 V schaltet.

NEIN! Dein Komparator arbeitet mit ganz anderen Schaltschwellen am 
EINGANG!
Du braucht kein riesiges Signal, da reichen ca. 100mVpp. Die 
Schaltschwelle legt man auf ca. 50mV mit vielleicht 10mV Hystese.

>geht. Oder liege ich falsch?

Ja. Du verwechselst die Pegel, welche von TTL gefordeert werden mit den 
Eingangspegeln deines Komparators.

Du musst erstmal ein paar Parameter kären.
Wie groß ist die optische Eingangsleistung?
Wie groß ist die minimale EIngangsfrequenz?

Und zu guter Letzt, was eigentlich Nr.1 ist.

Was willst du INSGESAMT erreichen? Siehe Netiquette.

von Achim S. (Gast)


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Micha schrieb:
> in hochfrequentes Lichtsignal mittels einer Fotodiode vom Typ G9821-22
> in ein elektrisches Signal zu wandeln. Da der Ausgangsstrom der
> Fotodiode sehr klein ist, muss der Strom verstärkt werden.

Der wesentliche Punkt wurde schon von Nachtmixt beschrieben: deine 
Photodiode ist nicht eine einfache Photodiode, sondern sie hat schon 
einen Verstärker integriert. Sie gibt also keinen kleinen Photostrom 
aus. Sondern sie gibt bereits eine Spannung aus. Auch die Tatsache, dass 
Sie eine Auto Gain Control besitzt solltest du bei deiner Anwendung 
berücksichtigen (d.h. sie versucht, ihre Verstärkung jeweils an die 
einfallende Lichtstärke anzupassen).


Dein gesamter Ansatz (Photostrom mit TIA verstärken) würde für eine 
"normale" Photodiode passen. Für diesen Detektor ist er aber unsinnig. 
Also nochmal deutlich: *Dein Schaltungskonzept taugt für diesen Sensor 
überhaupt nicht*. Da bräuchtest du stattdessenen einen AC-gekoppelten 
Spannungsverstärker.

Micha schrieb:
> 3.Auf welche Parameter ist bei der Auswahl des Komparators zu achten?

dass er schnell genug ist für deine 20MHz

Micha schrieb:
> 5.Ua soll eine 5V TTL Spannung sein. Der High-Pegel liegt bei größer 2V
> und der Low-Pegel bei kleiner 0,8 V. Um am Ausgang bei Ua einen
> High-Pegel zu erzielen, wird Uref auf 2 V gesetzt. D.h. die Hysterese
> 1,2V groß sein muss, damit der Low-Pegel ab 0,8 V schaltet. Ist das
> richtig? Denn das wird bedeutet, dass der High-Pegel dann bis 0,8 V
> geht. Oder liege ich falsch?

Du vermischst hier die Pegelanforderungen an einem TTL-Input (den du mit 
deinem Komparator treiben willst) mit den Pegeln, die dein Vorverstärker 
ausgibt. Beides hat wenig miteinander zu tun. Dein Uref sollte dem 
Mittelwert deines Vorverstärkerausgangs entsprechen. Und die Größe der 
Hysterese sollte sich daran orientieren, wie groß die Amplitude des 
Signals am Vorverstärkerausgang ist und wie viel "overdrive" dein 
Komparator benötigt, um sicher und schnell umzuschalten.

von HildeK (Gast)


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Unabhängig von dem speziellen Empfangselement:
- für 20MHz Signalfrequenz kann ein LT1190 mit GBW 50MHz gerade mal noch 
v=2.5, keine v=50!
- im handgezeichneten Bild vom Eröffnungspost liegt der 49k an falscher 
Stelle
- der LT1011 Komparator dürfte auch schon bei 1MHz am Ende angelangt 
sein.
- der Sensor hat eine Single Mode Faseranbindung. Hast du dein Licht auf 
einem solchen LWL?

von Micha (Gast)


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Hallo,

das Ziel ist aus dem analogen Signal von der Fotodiode ein digitales 
Signal zu generieren.

Die Fotodiode mit Vorverstärker ist der Eingang meiner Schaltung und das 
Rechtecksignal soll das Ausgangssignal sein.

Um die Schaltung zu dimensionieren muss ich das Eingangssignal genauer 
kennen? Ich habe gedacht, dass ich für alle möglichen Frequnzen ein 
Ausgangssignal generieren kann.

Dadurch das die Fotodiode einen Vorverstärker hat, kann ich meinen 
Komparator direkt an die Fotodiode anschließen? Das bedeutet ich muss 
einen Komparator finden der eine ausreichende Slewrate hat um Cutoff 
Frequenz der Fotodiode zu schalten?

von Falk B. (falk)


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@ Micha (Gast)

>das Ziel ist aus dem analogen Signal von der Fotodiode ein digitales
>Signal zu generieren.

Das ist nur ein Teilziel. Was soll dein GESAMTAUFBAU machen?

>Die Fotodiode mit Vorverstärker ist der Eingang meiner Schaltung und das
>Rechtecksignal soll das Ausgangssignal sein.

Schon klar.

>Um die Schaltung zu dimensionieren muss ich das Eingangssignal genauer
>kennen?

Das wäre von Vorteil.

> Ich habe gedacht, dass ich für alle möglichen Frequnzen ein
> Ausgangssignal generieren kann.

Nö, nur in einem bestimmten Bereich. Unterhalb von 3kHz macht der 
Vorverstärker langsam zu, denn der ist wechselspannungsgekoppelt bzw. 
die AGC arbeitet dort. Über 2,5 Gbit/s wird auch irgendwann mal 
Feierabend sein. Dazwischen ist viel möglich.

>Dadurch das die Fotodiode einen Vorverstärker hat, kann ich meinen
>Komparator direkt an die Fotodiode anschließen?

Wenn das optische Eingangssignal stark genug ist. Aber Vorsicht, das 
ding hat einen differentiellen Ausgang, also braucht man einen 
differentiellen Komparator oder einen Wandler von differentiell auf 
single ended.

> Das bedeutet ich muss
>einen Komparator finden der eine ausreichende Slewrate hat um Cutoff
>Frequenz der Fotodiode zu schalten?

Klingt sinnvoll. Ein 1 MHz Komparator hat bei 20 MHz schlechte Karten.

von Micha (Gast)


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Hallo,

ich habe nochmal eine ganze Menge verändert.

1. Es handelt sich nun um die Fotodiode FGA01
2. Es soll eine Teilentladung detektiert werden, aber mein Teil der 
Aufgabe ist es, das ankommende Licht zu verstärken und daraus ein 
digitales Signal zu machen. Dafür habe ich eine Transimpedanzverstärker 
Schaltung mit einem LMH6629 und eine Komparator-Schaltung mit einem 
LTC6752 gezeichnet.

Der Schaltplan ist im Anhang.

Kann die Schaltung so funktionieren? Was kann ich im Vorfeld noch 
überprüfen.Um zu wissen, ob die Schaltung anfängt zu schwingen oder ob 
andere Störgrößen einwirken.
Ansonsten würde ich das Layout der Schaltung in die Werkstatt geben und 
danach testen.

Vielen Dank für eure Unterstützung.

von Achim S. (Gast)


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Micha schrieb:
> Kann die Schaltung so funktionieren?

Nein.

Der + Eingang deines Transimpedanzverstärkers liegt auf 2,5V. Der OPV 
wird daher über die Rückkopplung versuchen, auch den - Eingang aufs 
+2,5V zu bringen.

Das schafft er aber nicht, weil die Fotodiode schon bei kleineren 
Vorwärtsspannungen zu leiten beginnt. Der OPV-Ausgang wird also fest an 
den "oberen Anschlag" gehen, der Lichteinfall hat keinen Einfluss.

von Micha (Gast)


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Achim S. schrieb:
> Micha schrieb:
>> Kann die Schaltung so funktionieren?
>
> Nein.
>
> Der + Eingang deines Transimpedanzverstärkers liegt auf 2,5V. Der OPV
> wird daher über die Rückkopplung versuchen, auch den - Eingang aufs
> +2,5V zu bringen.
>
> Das schafft er aber nicht, weil die Fotodiode schon bei kleineren
> Vorwärtsspannungen zu leiten beginnt. Der OPV-Ausgang wird also fest an
> den "oberen Anschlag" gehen, der Lichteinfall hat keinen Einfluss.

Ok, ich habe auch nicht so ganz verstanden warum der positive Eingang 
nicht direkt an die Masse geht. Aber die Schaltung habe ich aus dem 
Datenblatt vom LMH6629 entnommen.

Die Schaltung ist im Anhang. Außer dass die Fotodiode in meiner 
Schaltung umgedreht ist, müsste es doch der Schaltung aus dem Datenblatt 
entsprechen?

von Jens G. (jensig)


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>Die Schaltung ist im Anhang. Außer dass die Fotodiode in meiner
>Schaltung umgedreht ist, müsste es doch der Schaltung aus dem Datenblatt
>entsprechen?

Wie das? Die Diode haste auf Masse geklemmt - damit ist es nicht 
daselbe.
Also entweder ebenfalls auf +Ub klemmen, oder, wenn an Masse, dann die 
PD andersherum polen (in letzterem Falle haste dann aber auch 
anderherumgepolte Ausgangsspannung).

von Micha (Gast)


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Hallo,

die oben gezeigte Verstärker (LTC 6268 
http://www.linear.com/product/LTC6268) + Komparatorschaltung (LTC 6752 
http://www.linear.com/product/LTC6752) (Bild Schaltplan) hat folgendes 
Problem. Der Schaltzustand von Low nach High funktioniert ohne 
Schwingen, doch beim schalten von High nach Low fängt der Komparator an 
zu schwingen (Bild SCR04). Sobald die Messspitze kurz angehoben und 
wieder auf die Platine gesetzte wird, ist keine Schwingung mehr zu 
erkennen.

Nun habe ich verschiedene Ideen woran es liegen kann, aber bevor ich 
eine neue Platine fertigen lasse hätte ich gerne einen Rat zu meinem 
Problem.

1.  Es könnt daran liegen, dass die Fotodiode nicht auf der Platine 
angelötet ist, sondern gesteckt. Dadurch eventuell Einkopplungen? Aber 
auch bei niedriger Frequenz (1 Hz) tritt das Problem auf. Außerdem 
schwingt der Verstärker nicht.

2.  Es könnt an der zu geringen Massefläche am Komparator liegen? Die 
Leiterbahn hat eine Breite von 20 mil.

3.  Es könnte an der fehlenden Hysterese liegen? Aber dann sollte es 
auch beim Übergang von Low nach High schwingen?

4.  Es könnte daran liegen, dass der Ausgang vom Komparator wird nicht 
abgeschlossen ist? Um das zu testen habe ich einen SMA Stecker an den 
Ausgang gehangen und mit einem Koaxialkabel an das Oszilloskop gehangen. 
Der Eingang am Oszilloskop ist auf 50 Ohm eingestellt. Doch jetzt ist 
beim Umschalten von Low auf High der High Wert nur noch bei 2,7V statt 
2,3V. Und beim Umschalten von High nach Low schwingt der Komparator 
wieder.

5.  Beim Layout der Platine ist mir ein Fehler unterlaufen. Zur 
Entkopplung der positiven Versorgungsspannung geht die Leiterbahn an den 
Ferrit und von dort direkt an den Pin des Komparators. (siehe Layout der 
Platine) Die Kondensatoren sind hinter dem Ferrit, aber eigentlich sind 
sie trotzdem parallelgeschaltet und müssten die Versorgungsspannung 
puffern. Oder wirkt sich das doch aus?

6.  Liegt das Problem vielleicht gar nicht am Komparator, sondern an der 
Schaltung allgemein?


Vielen Dank für eurer Unterstützung.

von Manfred (Gast)


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Micha schrieb:
> fängt der Komparator an zu schwingen

Suchwort: Hysterese

von Micha (Gast)


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Manfred schrieb:
> Micha schrieb:
>> fängt der Komparator an zu schwingen
>
> Suchwort: Hysterese

Warum tritt das Problem, dann nur von High zu Low und nicht von Low zu 
High auf? Und warum ist das Problem behoben, wenn die Messspitze kurz 
angehoben und wieder angesetzt wird?

von Achim S. (Gast)


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Micha schrieb:
> Warum tritt das Problem, dann nur von High zu Low und nicht von Low zu
> High auf? Und warum ist das Problem behoben, wenn die Messspitze kurz
> angehoben und wieder angesetzt wird?

"Hyterese" ist das Stichwort, wie du das Problem sehr wahrscheinlich 
löst. Es ist nicht die detaillierte Analyse, warum es genau bei 
bestimmten Bedingungen zum Schwingen kommt.

Dein Komparator ist sehr schnell, der kann tatsächlich eine gewisse 
Schwingneigung haben. Eventuell läuft das sogar über eine Rückwirkung 
deines Komparators auf den TIA (d.h. auch der TIA gehört vielleicht mit 
zum schwingenden System).

> Warum tritt das Problem, dann nur von High zu Low und nicht von Low zu
> High auf?
Asymmetrien im internen Aufbau des Komparators, unterschiedlich kräftige 
Flanken, ....

> Und warum ist das Problem behoben, wenn die Messspitze kurz
> angehoben und wieder angesetzt wird?

Wahrscheinlich ist die Messspitze (bzw. deren Kapazität) notwendig, um 
die Schwingbedingung beim Umschaltpunkt zu erfüllen. Wenn du mal über 
den kritischen Punkt raus bist, ist das System wieder stabil und macht 
sich auch nichts mehr aus der Kapazität am Ausgang.

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