Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Störungsarme Anbindung einer Photodiode an Empfängerschaltung


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von Felix S (Gast)


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Hallo Forum,

ich baue gerade einen optischen Abstandssensor, bei dem Empfangsdioden 
über eine 10-20cm Leitung an eine Empfängerschaltung angeschlossen sind. 
Die Empfängerplatine wird dann auf ein Mikrocontrollerboard gesteckt, 
das die Information auswertet. Einen entsprechenden Schaltplan hänge ich 
an.

Ich frage mich jetzt, wie ich die Verbindung zwischen Dioden und 
Empfänger am besten gestalte. Ich tendiere dazu, die Dioden einfach 
zwischen Schild und Mittelleiter eines Koaxialkabels anzuschließen, 
sodass durch Schild und Mittelleiter immer der gleiche Strom fließt und 
theoretisch keine Störungen abgestrahlt oder empfangen werden sollten.
Andererseits habe ich aber auch schon gelesen, dass das Anschließen von 
Sensoren über Koaxialkabel zu üblen Störungen führen kann, wenn über das 
Schild ein Strom fließt. Ich nehme an, das gilt nur, wenn der Sensor und 
der Rest der Schaltung unterschiedliche Groundpotentiale haben und dann 
Ausgleichsströme über das Koax-Schild laufen. Ist das so richtig?

Die Alternative wäre natürlich, den ersten Verstärker direkt bei den 
Dioden anzubringen, dann bräuchte die Diodenplatine aber natürlich auch 
noch extra Anschlüsse für Spannungsversorgung und Ground. Hätte das 
irgendwelche Vorteile?

Die zweite Frage bezieht sich auf das Platinenlayout für die 
Empfängerschaltung. Da kommen natürlich noch Filter und andere 
Schaltungsteile drauf, die im Screenshot nicht enthalten sind.
Wie gestaltet man ein "Breakout" Board für eine Mikrocontrollerplatine 
am Besten? Die Hinweise zum Platinenentwurf aus dem Wiki kenne ich, 
frage mich aber, was für Dinge ich noch beachten muss, wenn meine 
analoge Schaltung in unmittelbarer Nähe zu der schnellen 
Digitalschaltung auf dem Mikrocontrollerboard läuft.
Ich habe die Möglichkeit, zweilagige Platinen herzustellen: Sollte ich 
eine Lage komplett für Ground benutzen? Sollte diese Lage "zwischen" 
Controllerboard und der Empfängerschaltung liegen oder werden dadurch 
vielleicht noch mehr Störung eingestrahlt? Ich hänge mal eine Skizze an, 
wie ich mir das vorstelle.

Für eure Tipps und Hinweise wäre ich sehr dankbar.

von Jens G. (jensig)


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>Die Alternative wäre natürlich, den ersten Verstärker direkt bei den
>Dioden anzubringen, dann bräuchte die Diodenplatine aber natürlich auch
>noch extra Anschlüsse für Spannungsversorgung und Ground. Hätte das
>irgendwelche Vorteile?

Klar - nur Vorteile.
Du hast einen Transimpedanzverstärker (TIA) und eine hochohmige 
Photodiode. Das ist schon für Störungen empfänglich genug, und irgendein 
(Koax-)Kabel dazwischen ist grundsätzlich schlecht.
Zusätzlich bedeutet ein Kabel zusätzliche parasitäre Kapazität, die am 
Eingang des TIA herumlungert. Sowas drückt gewaltig die Grenzfrequenz 
des ganzen, und erfordert auch noch eine entsprechend dimensionierte 
Kompensations-C über den Rückkopplungs-R, damit die ganze Sache nicht 
schwingt (ein gegengekoppelter OPV ist immer schwingfreudig, wenn an 
seinem Summationspunkt eine zu große C ist).

Auserdem ist es störungstechnisch höchst ungünstig, die erste 
(empfindlichste) Stufe unmittelbar über dem Digitalteil zu platzieren 
...

Übrigens - was sollen die 5 Photodioden bewirken? Soll das einen Vorteil
gegenüber nur einer bringen?

: Bearbeitet durch User
Beitrag #5272861 wurde vom Autor gelöscht.
von oszi40 (Gast)


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Felix S schrieb:
> einen optischen Abstandssensor,

Wozu? Müssen es wegen der Geschwindigkeit Fotodioden sein oder reichen 
Fototransistoren? Beitrag "Fototransistor vs. Fotodiode"

von Dieter (Gast)


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Wegen der Stoerungen ist es sinnvoll den Messeingang jeweils als 
symmetrischen Eingang auszufuehren, nicht asymmetrisch, wie man es sonst 
einfacher machen wuerde.

von Helmut S. (helmuts)


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Photodioden schaltet man in dieser Schaltung nicht in Reihe sondern 
parallel.

von Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)


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Felix S schrieb:
> Die Alternative wäre natürlich, den ersten Verstärker direkt bei den
> Dioden anzubringen, dann bräuchte die Diodenplatine aber natürlich auch
> noch extra Anschlüsse für Spannungsversorgung und Ground.

Wo man ein geschirmtes Kabel unterbringen kann, reichts auch für 2 Kabel 
plus ein geschirmtes. Also direkt an die Dioden - jedes Elektretmikro 
macht das auch so aus gutem Grund.

von Franz123 (Gast)


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Falls die Schaltung schwingt, sollst Du dich nicht wundern.  180 Grad 
vom gegengekoppelten OPV, 90 Grad von der Frequenzkompensation und 90 
Grad von der Rückführung R1 C-Fotodiode - schon sind 360 Grad 
Phasendrehung erreicht.
Lösung:
http://electrooptical.net/static/oldsite/www/canceller/klugesandhacks6c.pdf

und darin die Schaltung nach der Überschrift:
Cascode TIA

Finde die Schaltung sehr wichtig um den Trandimpedanz-Verstärker zu 
verstehen bzw. zu bauen.

von Harald W. (wilhelms)


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Jens G. schrieb:

>>Die Alternative wäre natürlich, den ersten Verstärker direkt bei den
>>Dioden anzubringen, dann bräuchte die Diodenplatine aber natürlich auch
>>noch extra Anschlüsse für Spannungsversorgung und Ground. Hätte das
>>irgendwelche Vorteile?
>
> Klar - nur Vorteile.

...zumal die wenigen Bauelemente in SMD ja nur wenig Platz
brauchen. Je nach Auslegung der Schaltung könnte man dann
vielleicht sogar auf die Abschirmung verzichten.

von U. M. (oeletronika)


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Hallo,
> Felix S schrieb:
> ich baue gerade einen optischen Abstandssensor,
für welche Abstände? Welche Empfangsleistung ist zu erwarten.
Wie soll das optische Konzept aussehen.

> bei dem Empfangsdioden
> über eine 10-20cm Leitung an eine Empfängerschaltung angeschlossen sind.
Kommt sehr drauf an, in welchem Bereich der Verstärkung du dich bewegen 
willst.
Ich entwickle optische Messgeräte, wo ich oft an das physikalisch 
machtbare gehe, aber vermutlich  wird deine Anwendung edliche 
Größenordnungen davon entfernt sein.
Ist schon ein Unterschied, ob man 1uW oder 1 fW detektieren will.

> Die Empfängerplatine wird dann auf ein Mikrocontrollerboard gesteckt,
> das die Information auswertet. Einen entsprechenden Schaltplan hänge ich
> an.

Der ist Quark.
Fotodioden in Sperrrichtung arbeiten wie eine Stromquelle.
Eine Reihenschaltung macht da keinen Sinn.

> Ich frage mich jetzt, wie ich die Verbindung zwischen Dioden und
> Empfänger am besten gestalte.
Wenn die Verstärkung moderat ist, mchen paar 10 cm Leitung keine großen 
Probleme.
Beschreibe genauer, was du vor hast!

> Wie gestaltet man ein "Breakout" Board für eine Mikrocontrollerplatine
> am Besten? Die Hinweise zum Platinenentwurf aus dem Wiki kenne ich,
> frage mich aber, was für Dinge ich noch beachten muss, wenn meine
> analoge Schaltung in unmittelbarer Nähe zu der schnellen
> Digitalschaltung auf dem Mikrocontrollerboard läuft.
Hängt auch von dem Randbedingungen ab.
Die Lichtquelle sollte geschaltet werden (z.B. im Bereich 1...10 kHz.
Da ist es vor allem wichtig, dass möglichst keine Störfrequenzen auf der 
Nutzfrequenz liegen. Ansonsten kann man mit Bandpass und softwaremäßiger 
Mittelwertbildung (Wichtungsfunktion) recht viel bewirken.
Gruß Oletronika

von Flaschensammler Troll (Gast)


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Abstandssensor ? Die Wand anleuchten, und wenn sie hell genug ist, ist 
man in der richtigen Distanz.

von Felix S (Gast)


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Danke erst mal für eure zahlreichen Antworten.

Jens G. schrieb:
> Übrigens - was sollen die 5 Photodioden bewirken? Soll das einen Vorteil
> gegenüber nur einer bringen?

Einen Flächen-Vorteil. Der Spalt wird darüber gemessen, wie viele von 
den Dioden im Schatten liegen

oszi40 schrieb:
> Wozu? Müssen es wegen der Geschwindigkeit Fotodioden sein oder reichen
> Fototransistoren?

Die Schaltung arbeitet bei etwa 150kHz, ich weiß nicht ob ein 
Fototransistor da noch taugt.

Harald W. schrieb:
> ...zumal die wenigen Bauelemente in SMD ja nur wenig Platz
> brauchen. Je nach Auslegung der Schaltung könnte man dann
> vielleicht sogar auf die Abschirmung verzichten.

Also dann einfach Versorgungsspannung und Ground per Kabel zum 
Verstärker beim Sensor führen, dort nochmal per Abblockkondensator 
entkoppeln und das wars?

U. M. schrieb:
> Der ist Quark.
> Fotodioden in Sperrrichtung arbeiten wie eine Stromquelle.
> Eine Reihenschaltung macht da keinen Sinn.

Das stimmt natürlich, der Schaltplan ist falsch. In meinem Aufbau ist es 
eine Parallelschaltung.

U. M. schrieb:
> Beschreibe genauer, was du vor hast!

Es gibt eine Sendediode, die mit 150kHz gepulst ist und ein Objekt 
zwischen Sender und Emfpänger, das einen Schatten auf die Dioden wirft.

Viele Grüße

von Felix S (Gast)


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Nachtrag:

U. M. schrieb:
> Kommt sehr drauf an, in welchem Bereich der Verstärkung du dich bewegen
> willst.

Das kann ich mir im Prinzip aussuchen, weil ich die Sendediode beliebig 
bestromen kann. Der Strahlleistung sollte aber nicht zu hoch sein, da 
der Sender keine Gefahr für das Auge sein soll.

von ZF (Gast)


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U. M. schrieb:
> Wenn die Verstärkung moderat ist, mchen paar 10 cm Leitung keine großen
> Probleme.

Die Leitung hat eine Kapazität, welche den Transimpedanzverstärker 
langsam macht. Bei LIDAR muss man üblicherweise (so es nicht um den 
Abstand Erde-Mond geht, aber da sprechen die genannten 150kHz gegen) die 
Diode mit hoher Bandbreite auslesen um genaue Messungen zu haben. 
Deshalb ist es schon richtig den Transimpedanzverstärker direkt an die 
Diode(n) zu hängen.

von Sven B. (scummos)


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Welche Genauigkeit willst du denn erreichen auf welchen Abstand? 150 kHz 
klingt ziemlich langsam.

von Felix S (Gast)


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Sven B. schrieb:
> Welche Genauigkeit willst du denn erreichen auf welchen Abstand? 150 kHz
> klingt ziemlich langsam.

Die Ansteuerung über die 150kHz sind nur um Umgebungslicht und Störungen 
von Energiesparlampen, Netzfrequenz und so weiter filtern zu können. Die 
Messung funktioniert darüber, dass ein Schatten auf die Empfangs-LEDs 
geworfen wird, nicht über irgendwelche Interferenzen

von Peter R. (Gast)


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Felix S schrieb:
> Es gibt eine Sendediode, die mit 150kHz gepulst ist und ein Objekt
> zwischen Sender und Emfpänger, das einen Schatten auf die Dioden wirft.

Dann verseh jede Diode mit einem eigenen Verstärker und werte die 
Unterschiede zwischen den Dioden aus.
Hier spricht doch garnichts gegen einen direkt am Sensor angebrachten 
Verstärker.

Irgendwelche Leitungen oder Kapazitäten zwischen Sensor und Verstärker 
sind doch Unsinn.

Das ist ähnlich wie bei Antennnen: der Antennenverstärker muss DIREKT an 
der Antenne sein, denn sonst werden die in der Leitung eingekoppelten 
Störsignale oder Rauschspannungen mitverstärkt und und ein am Ende der 
Leitung bescheidener Rauschabstand kann nicht mehr verbesert werden.

von Felix S (Gast)


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Peter R. schrieb:
> Dann verseh jede Diode mit einem eigenen Verstärker und werte die
> Unterschiede zwischen den Dioden aus.

Das ist für die Anzahl Dioden die ich habe nicht praktikabel und auch 
nicht notwendig. Die Ströme der Dioden addieren sich ja und ich kriege 
dann eine schöne lineare Ausgangsspannung, je nach dem wie viele Dioden 
beleuchtet werden.

> Hier spricht doch garnichts gegen einen direkt am Sensor angebrachten
> Verstärker.

Das werde ich dann jetzt auch machen.

von Sven B. (scummos)


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Felix S schrieb:
> Peter R. schrieb:
>> Dann verseh jede Diode mit einem eigenen Verstärker und werte die
>> Unterschiede zwischen den Dioden aus.
>
> Das ist für die Anzahl Dioden die ich habe nicht praktikabel und auch
> nicht notwendig. Die Ströme der Dioden addieren sich ja und ich kriege
> dann eine schöne lineare Ausgangsspannung, je nach dem wie viele Dioden
> beleuchtet werden.

Ääh, hast du das mal ausprobiert? Ich glaub nicht, dass das so 
funktioniert. Du kannst Stromquellen nicht in Reihe schalten und 
erwarten dass sich die Ströme addieren.

von Nicht der Helmut (Gast)


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Hi,
Helmut S. schrieb:
> Photodioden schaltet man in dieser Schaltung nicht in Reihe sondern
> parallel.
Grüße

von Felix S (Gast)


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Sven B. schrieb:
> Ääh, hast du das mal ausprobiert? Ich glaub nicht, dass das so
> funktioniert. Du kannst Stromquellen nicht in Reihe schalten und
> erwarten dass sich die Ströme addieren.

Das stimmt. Aber:

Felix S schrieb:
> Das stimmt natürlich, der Schaltplan ist falsch. In meinem Aufbau ist es
> eine Parallelschaltung.

Beim Zeichnen des Schaltplans ist mir kurzzeitig die Logik abhanden 
gekommen, die ich beim Aufbau noch hatte.

von Felix S (Gast)


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Wäre dann für die Verbindung der Senderplatine mit dem "Hauptteil" ein 
Flachbandkabel OK? Oder ist das zu dünn um die Masse ordentlich ohne 
Versatz zu verbinden?

von Sven B. (scummos)


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Aber warum? Warum baust du nicht die Verstärker auf die Platine mit den 
Photodioden? Nur um 2 Leitungen für die Versorgungsspannung zu sparen?

Je weiter der Verstärker von den PD weg ist, desto schlechter das 
Ergebnis ...

von Felix S (Gast)


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Sven B. schrieb:
> Aber warum? Warum baust du nicht die Verstärker auf die Platine mit den
> Photodioden? Nur um 2 Leitungen für die Versorgungsspannung zu sparen?

Hallo Sven,

das mache ich jetzt auch, allerdings kann ich an der Stelle wo die 
Empfangsdioden sitzen, kein Microcontrollerboard unterbringen (eine 
SMD-Verstärkerschaltung schon). Das heißt es muss weiterhin eine 
Kabelverbindung zwischen Hauptboard und Emfpängerboard geben, über die 
Spannung, Masse und die gleichgerichtete Ausgangsspannung transportiert 
wird.

von Sven B. (scummos)


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Ah, okay. Da ist alles weniger wichtig, weil das Signal nicht mehr so 
empfindlich ist. Flachbandkabel klingt in Ordnung, wenn du keine großen 
Ströme oder hohe Frequenzen hast. Du kannst jede zweite Ader auf Masse 
legen, oder zumindest die beiden äußeren.

von Werner H. (pic16)


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Schau mal hier nach: 
https://www.mouser.de/Texas-Instruments/Optoelectronics/Optical-Detectors-and-Sensors/_/N-6jju9?P=1z0zls6

Besser, einfacher, kleiner und billiger als was selbst gefrickeltes.

: Bearbeitet durch User
von Jens G. (jensig)


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>das mache ich jetzt auch, allerdings kann ich an der Stelle wo die
>Empfangsdioden sitzen, kein Microcontrollerboard unterbringen (eine

Ein µC in der Nähe der PD-Schaltuing wäre auch äuserst schädlich ...

>SMD-Verstärkerschaltung schon). Das heißt es muss weiterhin eine
>Kabelverbindung zwischen Hauptboard und Emfpängerboard geben, über die
>Spannung, Masse und die gleichgerichtete Ausgangsspannung transportiert
>wird.

Die Ausgangsspannung ist schon gleichgerichtet? Wodurch denn?
Aber egal: je nach Länge der Leitung von der PD-Schaltung zum µC-Board 
macht es sich gut, einen R von paar 10 bis evtl. 100Ohm in Serie 
unmittelbar nach dem TIA einzuschleifen. Das verhindert Schwingungen 
durch sonst parasitäre kapazitive Belastung durch das längliche 
Ausgangskabel.

Aber auch sonst wirste evtl. eine Kompensations-C (irgendwas im 
pF-Bereich) parallel zum R1 schalten müssen (wenn R1 ziemlich groß), 
denn die Eingangskapazität (durch die PD, noch dazu 5 in parallel) will 
kompensiert werden - sonst Schwingungen.

von U. M. (oeletronika)


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Hallo,
> Felix S schrieb:
> Es gibt eine Sendediode, die mit 150kHz gepulst ist und ein Objekt
> zwischen Sender und Emfpänger, das einen Schatten auf die Dioden wirft.
ich hatte ja schon den Verdacht.
Die ganze Zeit wird über Mikrochirurgie diskutiert, dabei geht es eher 
darum an einem Panzer die Kette zu reparieren ;-)

Du hast also nur eine einfache Einweglichtschranke.
Wenn du den Scahttenwurf auf die die paralellen Dioden mißt, dann 
bekommst du tasächlich eine Abstufung um jeweisl ca. 20%. Soweit so gut.
Ich gehen davon aus, das die Lichtquelle nicht hundert Meter weit weg 
ist vom Empfänger, sondern eher nur paar 10cm oder so?
Dann muß der Transimpedanzverstärker natürlich überhaupt nicht sehr 
empfindlich sein. Da bist du um einige Größenordnungen davon entfernt, 
Probleme mit der Dynamik wegen Kabelkapazitäten zu bekommen und mußt 
auch kaum große Störungen vom Prüfaufbau erwarten.
Als Dioden würde ich BPW34 empfehlen. Die 150kHz Takt in der Quelle sind 
grundsätzlich auch ok. Ich würde aber denkem, dass 10kHz oder 50kHz 
genau so wären. Brummen von Netzfrequenz kann man in jedem Fall gut 
unterdrücken.
Wenn du die Signalauswertung synchron mit der Sendefrequenz machst, 
werden auch andere Lichtquellen kaum stören, aßer sie stahlen mit hoher 
Intensität direkt auf den Sensor und liegen mit der Störfrequenz genau 
auf der Nutzfrequenz oder einem Vilefachen derselben.

Hier kannst du noch ein paar Feinheiten beim Transimpedanzverst. 
abschauen.
http://uwiatwerweisswas.schmusekaters.net/Uwi/ELEKTRONIK/Opto_Laser/Fotoverstaerker.pdf
Die Verstärkung (R2) wirst du deutlich niederohmiger machen können (100k 
oder weniger). Der Spannungsteiler R3 R4 und C5 dienen der Unterdrückung 
von Gleichlicht. Für Licht mit ausreichend hoher Frequenz ist C5 ein 
Kurzschluss, für Gleichtlicht ein unendlicher Widderstand. Das RC-Glied 
R4/C5 kannst also so einstellen, dass dein Nutzsignal gut durchkommt, 
aber Störungen im unteren Frequenzbereich deutlich unterdrückt werden.

Hier gibt es noch etwas mehr dazu:
http://uwiatwerweisswas.schmusekaters.net/Uwi/ELEKTRONIK/Opto_Laser/Fotoverstaerker_2.pdf
Gruß Öletronika

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