gesucht schneller Komparator mit +12V/0V am Ausgang

[Christoph E. (stoppi)]

Hallo!

Ich habe ein elektronisches Problem. Für meinen Gammastrahlendetektor 
kommen negative Pulse vom Photomultiplier zum invertierenden Verstärker, 
im Moment ein LF357, welcher auch schnell genug für die rund 2µs langen 
Pulse zu sein scheint, denn ich erhalte auch sehr kleine verstärkte 
Pulse.

Das Problem ist der nachgeschaltete Komparator. Im Moment arbeitet dort 
ein LM311. Nur der reagiert erst zuverlässig, wenn die Pulse > ca. 1V 
sind. Die interessanten, von Gammastrahlen verursachten Pulse sind aber 
in dieser Größenordnung bzw. kleiner (ab 0.5V).

Jetzt habe ich mir gedacht, ich nehme statt dem LM311 einen sehr 
schnellen Operationsverstärker, z.B. den vorhandenen LM7171 
(gain-bandwidth 200MHz). Das Problem ist aber nun, dass ich diesen nicht 
mit 0/+12V versorgen kann, sondern er unbedingt eine negative 
Versorgungsspannung benötigt. Wenn ich ihn allerdings mit +/-12V 
versorge und als Komparator betreibe, dann liefert er mir eben am 
Ausgang ca. +/-10V. Nur diese Pulse gehen dann weiter zu einem Monoflop 
(CD4098), der aber keine negativen Pulse am Triggereingang sehen darf 
(minimal -0.5V).

Jetzt habe ich mir folgende 2 Schaltungen ausgedacht:

Schaltung 1: Ich versorge den LM7171 mit +/-12V und hänge an den Ausgang 
zu GND aber einen Widerstand + Diode (1N4148). Dies würde bewirken, dass 
positive Pulse ungehindert zum CD4098 gelangen würden, die negativen 
Pulse aber (zumindest) auf -0.7V (Durchflussspannung der Diode) begrenzt 
wären.

Schaltung 2: Ich versorge den LM7171 nicht mit +/-12V, sondern mit z.B. 
+12V/-2.1V durch zwei/drei in Serie geschaltene Dioden. Dann würde er 
mir am Ausgang nur Pulse um die 0V bzw. 10V liefern.

Was sagt ihr dazu? Oder gäbe es eine andere, bessere Variante? Wie 
gesagt, ich bräuchte einen schnellen Komparator, der mir aber am Ausgang 
0/+10V liefert und der schon bei kleinen Eingangspulse um die 0.5V 
zuverlässig auslösen kann.

Danke im voraus für eure Hilfe...

[Harald W. (wilhelms)]

Christoph E. schrieb:

> Das Problem ist der nachgeschaltete Komparator. Im Moment arbeitet dort
> ein LM311. Nur der reagiert erst zuverlässig, wenn die Pulse > ca. 1V
> sind. Die interessanten, von Gammastrahlen verursachten Pulse sind aber
> in dieser Größenordnung bzw. kleiner (ab 0.5V).

Dann stell doch die Schwelle niedriger ein.

[Falk B. (falk)]

Christoph E. schrieb:
> Ich habe ein elektronisches Problem. Für meinen Gammastrahlendetektor
> kommen negative Pulse vom Photomultiplier zum invertierenden Verstärker,
> im Moment ein LF357, welcher auch schnell genug für die rund 2µs langen
> Pulse zu sein scheint, denn ich erhalte auch sehr kleine verstärkte
> Pulse.

2us sind schon relativ lang.

> Das Problem ist der nachgeschaltete Komparator. Im Moment arbeitet dort
> ein LM311. Nur der reagiert erst zuverlässig, wenn die Pulse > ca. 1V
> sind.

Das liegt aber nicht am LM311 sondern der Schaltung.

> Die interessanten, von Gammastrahlen verursachten Pulse sind aber
> in dieser Größenordnung bzw. kleiner (ab 0.5V).

Immer noch verdammt viel für einen Komparator ala LM311. Der kann auch 
bei 10mV noch gescheit schalten.

> Jetzt habe ich mir gedacht, ich nehme statt dem LM311 einen sehr
> schnellen Operationsverstärker, z.B. den vorhandenen LM7171
> (gain-bandwidth 200MHz).

Unsinn!

> Jetzt habe ich mir folgende 2 Schaltungen ausgedacht:

Hör auf, mit Kanonen auf Spatzen zu schießen! Der LM311 kann problemlos 
2us Pulse bei 0,5V Amplitude verarbeiten.

> Was sagt ihr dazu? Oder gäbe es eine andere, bessere Variante? Wie
> gesagt, ich bräuchte einen schnellen Komparator, der mir aber am Ausgang
> 0/+10V liefert.

Weil deine Schaltung in Uralt 12V CMOS gebaut ist. Naja. Man könnte ja 
wenigstens HALBWEGS modern auf 5 oder 3,3V Logik gehen.

Dein Schaltplan ist typischer Maker-Murks. Anstatt gescheiter Symbole 
sind dort die Gehäuse dargestellt, das ist Unfug! Man erkennt die 
Funktion nicht!

Schaltplan richtig zeichnen

"Bauteile sollen im Schaltplan die Funktion möglicht übersichtlich und 
logisch darstellen. Die Anordnung der Pins im Schaltplan hat nichts mit 
der physikalischen Anordnung der Pads des Gehäuses zu tun, denn dafür 
gibt es das Gehäuse im Layout, siehe dieser Forumsbeitrag."

Beitrag "Re: eagle Schaltplan Bauteile drehen"

Dein LF357 ist ein relativ flinker OPV mit JFET Eingang und ca. 20 MHz 
Verstärkungsbandbreitenprodukt. Er ist als invertierender Verstärker mit 
bis zu Verstärkung 50 aufgebaut, hat dann immer noch ca. 400kHz 
Bandbreite, macht ca. 0,9us Anstiegszeit.
Der LM311 ist ein Komparator mit ca. 200ns Ansprechzeit bei 100mV 
Eingangssignal. Das reicht hier locker.

Jetzt hat der Erfinder der Schaltung das Ding aber sinnloserweise arg 
hochohmig aufgebaut und auch die Hysterese vergessen. Alles nicht so 
toll. Denn ohne ein Minimum an Hysterese wird es beim Komparator in der 
Praxis meist problematisch. Siehe Schmitt-Trigger.

Man muss nur die Schaltung leicht modifizieren. Etwa so. Siehe Anhang. 
Damit ist die Schaltung deutlich niederohmiger und schneller, außerdem 
hat der Komparator ca. 100mV Hysterese.

[m.n. (Gast)]

Christoph E. schrieb:
> Nur der reagiert erst zuverlässig, wenn die Pulse > ca. 1V
> sind.

Die 820 kOhm Widerstände sind viel zu hochohmig. Überbrücke sie einfach!

> Dann würde er
> mir am Ausgang nur Pulse um die 0V bzw. 10V liefern.

Das reicht für CMOS-Logik völlig aus.

[Christoph E. (stoppi)]

Vielen Dank für eure Hilfe. Habe jetzt die von Falk angesprochenen 
Veränderungen umgesetzt und was soll ich sagen, jetzt funktioniert es so 
wie ich es mir vorgestellt habe. Jetzt spricht der LM311 schon bei 
Pulsen um die 0.5V gut an.

Anbei noch der abgeänderte Schaltplan und ein Oszibild (oben Puls nach 
LF357, unten Ausgang Komparator LM311).

Danke nochmals!

[Falk B. (falk)]

Christoph E. schrieb:
> Anbei noch der abgeänderte Schaltplan

Mal den Artikel Schaltplan richtig zeichnen gelesen?
Man zeichnet keine Leitungen durch Symbole!

> und ein Oszibild (oben Puls nach
> LF357, unten Ausgang Komparator LM311).

Ok, aber dein LM311 bringt nur ca. Umax=8V, das liegt wohl an den LEDs. 
Wozu sollen die gut sein? Die Pulse sieht man damit eh kaum. Laß sie 
weg, pack sie eher an dein Monoflop.

Ähhh, Moment! Was macht denn der 100nF Kondensator an Pin 6 vom LF357?? 
Das ist der Ausgang, dort gehört GAR NICHTS dran, schon gar nicht so ein 
riesiger Kondensator! Oder ist das "nur" falsch gezeichnet? Vermutlich 
soll der Kondensator (wie schön wäre es, wenn da ein paar Namen dran 
ständen) an +12V, sprich Pin 7!

[Christoph E. (stoppi)]

Hallo!

Stimmt, der Kondensator am LF357 ist falsch eingezeichnet und hängt 
nicht am Ausgang, danke für den Hinweis.

An einem der Ausgänge des CD4098 hängt eh ein LED...

[Wolfgang (Gast)]

Falk B. schrieb:
> Ok, aber dein LM311 bringt nur ca. Umax=8V, das liegt wohl an den LEDs.

Eher an der komischen Ausgangsbeschaltung mit dem Spannungsteiler aus 
1kΩ und 1kΩ + roter LED.

[Gustl B. (-gb-)]

Moin, wir verwenden ebenfalls PMTs zur Radioaktivitätsmessung. Dabei 
kann man entweder das Signal direkt aus dem PMT schnell abtasten, das 
sind aber sehr kurze Impulse. Oder man kann auch das Signal nach einem 
Shaping-Verstärker abtasten. Oder wie du einmal die Spitze erfassen, 
festhalten und langsam erfassen.

Wenn man die kurzen Impulse (ca. 20 ns lang) direkt erfasst, dann hat 
das den Vorteil, dass man Impulse filtern kann. Es ist ja oft so, dass 
ein radioaktives Isotop zerfällt und zwar in eine sehr kurzlebige 
Tochter und diese dann innerhalb weniger us wieder zerfällt in ein 
entweder stabiles Element oder ein langlebigeres radioaktives Isotop.
Wenn man also Zeitstempel für die einzelnen Zerfälle hat, dann kann man 
im Nachhinein filtern und sich Spektren erzeugen, die nur Zerfälle 
enthalten die in einem bestimmten Zeitfenster hinter einem 
vorangegangenen Zerfall enthalten. Ich habe das hier mal gemacht:

Beitrag "Re: Häufigkeitsverteilung der Maxima nach Upsampling/Filter"

Das mit dem schnellen Komparator hatte ich mir auch überlegt, das war 
mir aber zu langsam.
Man müsste ja Impuls erkennen, Spitzenwert festhalten, dem FPGA/uC 
"bescheid sagen", den ADC einmal abtasten lassen, Spitzenwerthalteglied 
zurücksetzen. Mit schnellem ADC und FPGA kann man das alles digital 
machen und hat dann auch keine Totzeit in der Messung.

[Christoph E. (stoppi)]

So, hier noch der richtige Schaltplan...

[Falk B. (falk)]

Wolfgang schrieb:
> Falk B. schrieb:
>> Ok, aber dein LM311 bringt nur ca. Umax=8V, das liegt wohl an den LEDs.
>
> Eher an der komischen Ausgangsbeschaltung mit dem Spannungsteiler aus
> 1kΩ und 1kΩ + roter LED.

Schlaumeier!

[Falk B. (falk)]

Christoph E. schrieb:
> So, hier noch der richtige Schaltplan...

Und wenn man die Schaltschwelle feinfühliger einstellen will, schaltet 
man dem 10K Poti noch ca. 4k7 nach 12V in Reihe. Denn die Schwelle liegt 
vermutlich nur im Bereich von 0-2V, nicht 0-12V.

[m.n. (Gast)]

Falk B. schrieb:
> Und wenn man die Schaltschwelle feinfühliger einstellen will, schaltet
> man dem 10K Poti noch ca. 4k7 nach 12V in Reihe. Denn die Schwelle liegt
> vermutlich nur im Bereich von 0-2V, nicht 0-12V.

Der Gleichtakteingangsbereich beginnt bei ca. +0,5 V bezogen auf Pin4 
(GND). Besser ist es daher, von +12 V einen 10 kOhm Widerstand an Pin2 
(IN+) zu legen. Damit wird die Schaltung deutlich empfindlicher als die 
vorher "blockierenden" 0,5 V.

[Christoph E. (stoppi)]

m.n. schrieb:
> Falk B. schrieb:
>> Und wenn man die Schaltschwelle feinfühliger einstellen will, schaltet
>> man dem 10K Poti noch ca. 4k7 nach 12V in Reihe. Denn die Schwelle liegt
>> vermutlich nur im Bereich von 0-2V, nicht 0-12V.
>
> Der Gleichtakteingangsbereich beginnt bei ca. +0,5 V bezogen auf Pin4
> (GND). Besser ist es daher, von +12 V einen 10 kOhm Widerstand an Pin2
> (IN+) zu legen. Damit wird die Schaltung deutlich empfindlicher als die
> vorher "blockierenden" 0,5 V.

Und stattdessen den 100k Widerstand von pin2 nach pin7 entfernen?

[Falk B. (falk)]

m.n. schrieb:
> Der Gleichtakteingangsbereich beginnt bei ca. +0,5 V bezogen auf Pin4
> (GND).

Nun, das ist ein weiterer Fehler der Schaltung. Pin1 ist GND, der gehört 
wirklich an GND. Pin4 ist VCC-, das gehört an -12V. Dann klappts auch 
mit dem Gleichtakteingangsbereich. Oder man hätte gleich einen LM393 
genommen, der kann das auch ohne -12V.

> Besser ist es daher, von +12 V einen 10 kOhm Widerstand an Pin2
> (IN+) zu legen.

Nö, das ist nur wieder Murks.

[Falk B. (falk)]

Christoph E. schrieb:
> Und stattdessen den 100k Widerstand von pin2 nach pin7 entfernen?

NEIN! Siehe oben!

[Christoph E. (stoppi)]

Also pin4 an -12V

Für 0-2V Schwelle müsste ich aber bei 10k Poti und 12V Versorgung einen 
50k vorwiderstand einbauen...

Danke für eure Hilfe!

[m.n. (Gast)]

Falk B. schrieb:
>> Besser ist es daher, von +12 V einen 10 kOhm Widerstand an Pin2
>> (IN+) zu legen.
>
> Nö, das ist nur wieder Murks.

Damit wird das Eingangssignal in den Gleichtaktbereich verschoben. Wenn 
das Deine geistigen Möglichkeiten übersteigt, frage gerne nach aber heul 
hier nicht rum.

@stoppi
Spare Dir die -12 V, baue den 10 k ein und zeige dann noch einmal das 
Ausgangssignal des LM311. Entgegen Deinem obigen Bild wird die 
ansteigende Flanke steiler werden, da der Eingang beim Ruhepegel nicht 
mehr übersteuert wird und die zugehörige Totzeit entfällt.

[Christoph E. (stoppi)]

> @stoppi
> Spare Dir die -12 V, baue den 10 k ein und zeige dann noch einmal das
> Ausgangssignal des LM311. Entgegen Deinem obigen Bild wird die
> ansteigende Flanke steiler werden, da der Eingang beim Ruhepegel nicht
> mehr übersteuert wird und die zugehörige Totzeit entfällt.

Aber der 100k Widerstand zwischen pin2 und pin7 kann bleiben?

Bitte keine Streitereien... Ihr habt mir schon sehr geholfen.

[m.n. (Gast)]

Christoph E. schrieb:
> Aber der 100k Widerstand zwischen pin2 und pin7 kann bleiben?

Ja, der gibt dem Komparator eine kleine Hysterese.

[Falk B. (falk)]

Christoph E. schrieb:
> Also pin4 an -12V
>
> Für 0-2V Schwelle müsste ich aber bei 10k Poti und 12V Versorgung einen
> 50k vorwiderstand einbauen...

Uuups, da ist mir wohl das Komma verrutscht. Ja, 47K oder 51K.

[Falk B. (falk)]

m.n. schrieb:
> Damit wird das Eingangssignal in den Gleichtaktbereich verschoben. Wenn
> das Deine geistigen Möglichkeiten übersteigt, frage gerne nach aber heul
> hier nicht rum.

Jaja. der m.n. wieder mal. Ich weiß sehr wohl wie das gemeint war und 
funktioniert, halte es aber dennoch für die falsche Wahl bei dieser 
Schaltung! Man muss nur GND und VCC- richtig anschließen! Spart sogar 1 
Widerstand und rettet den Regenwald!

>
> @stoppi
> Spare Dir die -12 V, baue den 10 k ein und zeige dann noch einmal das

Nö, denn der LF357 braucht die, man kann sie nicht einsparen, außer mit 
anderen Bauteilen. Die hat der OP aber im Moment nicht, ist auch gar 
nicht das Ziel. Also kann man auch den LM211 mit -12V betreiben.

[Christoph E. (stoppi)]

Im Datenblatt des LM311 liegen aber bei einem Beispiel auch Emitter und 
V- auf GND und der Output am Kollektor entspricht genau meinen Wünschen. 
Habe mich eben daran gehalten...

[Falk B. (falk)]

Christoph E. schrieb:
> Im Datenblatt des LM311 liegen aber bei einem Beispiel auch Emitter und
> V- auf GND
> und der Output am Kollektor entspricht genau meinen Wünschen.
> Habe mich eben daran gehalten...

War aber ein Irrtum, denn in dem Diagramm wird nur die statische 
Kennlinie dargestellt, außerdem ist die X-Achse die DIFFERENZspannung am 
Eingang. Wo die absolut in Bezug auf GND liegt, steht dort nicht. Aber 
das ist wichtig, nennt sich Gleichtakteingangsspannung. Denn ob Die +/- 
Eingänge auf 100/100,1V oder 1/1,1V liegen ist ein Unterschied.
Oben rechts in der Ecke steht was von VI=50V bzw. 40V, das muss aber ein 
Fehler sein, denn bei 30V Versorgung kann man nicht mit 40 oder 50V an 
die Eingänge!
Bei den Absolute maximum ratings steht noch verkaulsuliert was von 40 
bzw. 50V.

Output to Negative Supply Voltage
LM111-LM211 50V
LM311 40V

Damit meinen die wohl die Spannungsfestigkeit des Open Collectors.

Anyway, ich bleibe bei meiner Empfehlung.

Beitrag "Re: gesucht schneller Komparator mit +12V/0V am Ausgang"

[Psychic µAnalysator (Gast)]

Falk B. schrieb:
> Jaja. der m.n. wieder mal.

Soll das etwa bedeuten, Du kennst "m.n."/rechnetest fest damit? ;)

> Ich weiß sehr wohl wie das gemeint war und funktioniert

Und hast es ihm zwecks Freude an jener Erwartung verschwiegen? ;)

[Christoph E. (stoppi)]

Danke euch, ich werde das demnächst überprüfen...

[Christoph E. (stoppi)]

Die Veränderung (-12V an Pin4 des LM311) brachte jetzt keine merkliche 
Veränderung. Aber danke dennoch für die vielen nützlichen Hinweise.

Habe nun meinen Neutronendetektor einmal mit einem Gammastrahler 
(Cäsium-137) getestet, da der verwendete Plastikszintillator BC412 nicht 
nur auf schnelle Neutronen, sondern auch auf Gammastrahlen anspricht. 
Die Zählrate ist von rund 1800 cpm auf 5100 cpm gestiegen. Der LM311 
verrichtet also zuverlässig seinen Dienst...

[Falk B. (falk)]

Schön zu hören, du hast aber immer noch die unsinnigen LEDs am 
Komparatorausgang, denn der kommt immer noch nur auf ~8V.

[Christoph E. (stoppi)]

Falk B. schrieb:
> Schön zu hören, du hast aber immer noch die unsinnigen LEDs am
> Komparatorausgang, denn der kommt immer noch nur auf ~8V.

Ursprünglich hatte ich direkt am komparatorausgang eine LED gegen Masse 
bzw. 12V. Das Problem dabei war, dass bei einem high beide LEDs 
leuchteten, da der Lm311 nur ca. 10V ausgab. So mit dem spannungsteiler 
leuchtet wirklich nur 1 LED wie gewünscht...
Die max. 8V reichen aber bei weitem zum auslösen des cd4098, von daher 
bin ich nicht wirklich gezwungen, etwas an der schaltung ändern zu 
müssen.

[Falk B. (falk)]

Christoph E. schrieb:
> Die max. 8V reichen aber bei weitem zum auslösen des cd4098, von daher
> bin ich nicht wirklich gezwungen, etwas an der schaltung ändern zu
> müssen.

Jaja, gestern noch rumheulen und nach dem Rettungsring namens 200MHz OPV 
greifen, heute schon vollkommen relaxt und selbstsicher, auch und vor 
allem weil man ja nicht merkt, wie knapp die Schaltung mal wieder 
dimensioniert ist.

Willst du es nicht verstehen oder kannst du es nicht? Warum wohl weise 
ich dich MEHRFACH auf den Fehler hin? Kleiner Tipp. Es liegt nicht an 
meiner Pedanterie oder Besserwisserei. 2. Tipp, ich verdiene mit 
Hardwareentwiclung meine Brötchen.

Nur weil etwas erstmal funktioniert, heißt das noch lange nicht, daß es 
solide und stabil ist! Das wissen wir nicht erst seit dem schiefen Turm 
von Pisa!

[m.n. (Gast)]

Falk B. schrieb:
> meiner Pedanterie oder Besserwisserei. 2. Tipp, ich verdiene mit
> Hardwareentwiclung meine Brötchen.

Wenn auch noch Belag auf die Schrippen kommen soll, wäre der 1. Tipp 
gewesen, die -12 V ganz zu vermeiden ;-)

[Falk B. (falk)]

m.n. schrieb:
> Wenn auch noch Belag auf die Schrippen kommen soll, wäre der 1. Tipp
> gewesen, die -12 V ganz zu vermeiden ;-)

Nö, denn die sind sowieso da und es war nur das Ziel, die wesentlichen 
Mängel mit minimalem Aufwand abzustellen.

https://de.wikipedia.org/wiki/%C3%96konomisches_Prinzip#Minimalprinzip

[Wolfgang (Gast)]

Falk B. schrieb:
> Nö, denn die sind sowieso da ...

Dann hat das Minimalprinzip schon vorher versagt.
Wenn das Kind sowieso schon in den Brunnen gefallen ist, bringt eine 
Optimierung hier relativ wenig - da hast du Recht.