gestörter Transimpedanzverstärker

[Hatschi Puh (Gast)]

Ein TIA 
(https://www.mikrocontroller.net/articles/Lichtsensor_/_Helligkeitssensor#Konstantstromquelle_mit_Transimpedanzverst.C3.A4rker) 
wird durch die Schaltflanken eines ATtiny85 gestört, auch ohne Last.
Beides mit 5V aus Labornetzteil versorgt.
Der Ausgang des TIA geht an einen ADC vom Mikrocontroller und wird ca. 
20 us nach Flanke gemessen.
Die Störung äußert sich als "Nadelimpuls" am TIA Ausgang.
Die Größe und das Auftreten des Impulses sind abhängig vom einfallenden 
Licht (mehr Licht -> Störung tritt früher auf, noch mehr Licht -> 
Störung verschwindet, nur leichte Überschwinger).
Anbei eine "gemittelte" Aufnahme mit variablem Lichteinfall.

Beide ICs (Mikrocontroller und OPV) sind mit 100 nF versehen, allerdings 
ist das ein Aufbau auf Steckbrett und manche Leitungen sind ein paar cm 
lang.

Es macht keinen Unterschied, wenn der Ausgang des TIA nicht mit dem 
Mikrocontroller verbunden ist.
Die Störungen kommen wohl über die Versorgungsspannung in den Tia.
Wie kann man das verhindern? Separate Regler? PI-Filter?
Getrennte 5V reduzieren das Problem etwas. Dann bleibt noch GND als 
Übeltäter.

[Wolfgang (Gast)]

Welche Bandbreite hat dein Lichtsignal und wie ist der TIA aufgebaut?

[Klaus R. (klara)]

Hatschi Puh schrieb:
> allerdings
> ist das ein Aufbau auf Steckbrett und manche Leitungen sind ein paar cm
> lang.

Hatschi Puh schrieb:
> Es macht keinen Unterschied, wenn der Ausgang des TIA nicht mit dem
> Mikrocontroller verbunden ist.
> Die Störungen kommen wohl über die Versorgungsspannung in den Tia.
> Wie kann man das verhindern? Separate Regler? PI-Filter?
> Getrennte 5V reduzieren das Problem etwas. Dann bleibt noch GND als
> Übeltäter.

Hinzu kommmt noch, ein LM358D ist nicht gerade ein optimaler 
Transimpedanzverstärker. PSR max 100 dB.

Welche Frequenz haben denn die Spikes vom Tiny? Der Tiny ist doch sicher 
auch geblockt!? Dann sendet der Tiny selber mit seinen "Antennen". Und, 
ist der Tiny auch auf einem Steckbrett?

Der LM358D ist doch ein Doppel - OPV. Was macht der andere OPV? Schwimmt 
er?

So, nun haben wir so ziemlich alle Kandidaten aufgezeigt.

Bei so etwas sollte man immer ein Bild vom Aufbau mitliefern.

Das Interessante ist doch immer wieder, wollte man so etwas bauen, dann 
bekommt man es nicht hin.
mfg klaus

[Hatschi Puh (Gast)]

Oh ja: Bandbreite / Licht ist cyan, also 3,5 kHz Rechteck.
Blau ist 5V Vcc AC-gekoppelt, leider in der Aufnahme ungenügend 
verstärkt dargestellt. Man sieht aber auch dort die Flanken.

TIA ist wie im o.g. Artikel aufgebaut: 1,x MOhm Widerstand und ein 
verdrillter Draht als Kondensator, in der Hoffnung, die Störungen etwas 
zu bekämpfen. Auf Breadboard wohl eher unnötig.


OPV ist ein LMC6032 (http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lmc6032.pdf, 
offenbar ein "besserer" TLC272 - siehe auch 
https://www.mikrocontroller.net/articles/Standardbauelemente#Operationsverst.C3.A4rker):

- Ultra Low Input Bias Current: 40fA
- Input Common-mode Range Includes V−
- Input Offset Current: 0.01 pA (100 max)

Aber das Lichtsignal nutze ich ja für den Test gar nicht - sobald wenig 
Licht (Taschenlampe) auf die Fotodiode fällt, kommen die Störungen 
durch. Bei etwas Lichteinfall verschwinden sie (siehe Anhang). Also bei 
Eingang gegen Null treten sie auf.

Mittlerweile habe ich etwas umgebaut und die Drähte kürzer gemacht, 
sowie den zweiten OPV im Gehäuse als "Buffer" mit zweifacher Verstärkung 
hinterhergeschaltet - macht keinen Unterschied.

[Hatschi Puh (Gast)]

Klaus R. schrieb:
> PSR max 100 dB.

Dann ist meiner ja noch schlechter. Aber 60 dB wären 1mV/V (?), bei den 
Störungen auf VCC von 100 mV also 100 uV?

Beides auf Steckbrett, beides geblockt.
Die Spikes sind die Flanken des unbelasteten Ausgangs (in beiden Bildern 
cyan)
Ich kann nachher nochmal die Spannungen genauer mit dem Oszi anschauen.

[Klaus R. (klara)]

Hatschi Puh schrieb:
> Die Spikes sind die Flanken des unbelasteten Ausgangs (in beiden Bildern
> cyan)

Ich dachte Du sprichst im ersten Bild von Kanal 1, gelb. Das sehe ich 
jede Menge Spikes. Das Sinal 2 solltest Du noch besser auflösen. Wenn da 
Spikes sind, dann sind sie kaum sichtbar.

Ich würde sagen, das Signal vom Kanal 1 stört das Signal vom Kanal 2. 
Dein Oszi kann das doch sicher besser darstellen.
mfg Klaus

[Jens G. (jensig)]

Hatschi Puh schrieb:
> Oh ja: Bandbreite / Licht ist cyan, also 3,5 kHz Rechteck.

Da das Oszi sicherlich kein Licht erkennen kann, wirst Du sicherlich das 
Signal irgendwo in Deiner Schaltung abgreifen. Nur wo?
Und wo kommen die 3kHz her?
Wo hast Du die Tastkopfmasse angeklemmt, und wie?
Am besten, Du zeigst mal ein Foto vom Aufbau, so daß man wenigstens den 
Aufbau sieht, und auch die Anschlüüsse von Versorgung und Meßklemmen.

> TIA ist wie im o.g. Artikel aufgebaut: 1,x MOhm Widerstand und ein
> verdrillter Draht als Kondensator, in der Hoffnung, die Störungen etwas
> zu bekämpfen. Auf Breadboard wohl eher unnötig.

Ich ahne schon - paar cm verdrillt. Tolle Antenne ...

> OPV ist ein LMC6032 (http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lmc6032.pdf,
> offenbar ein "besserer" TLC272 - siehe auch
> 
https://www.mikrocontroller.net/articles/Standardbauelemente#Operationsverst.C3.A4rker):

> - Ultra Low Input Bias Current: 40fA
> - Input Common-mode Range Includes V−
> - Input Offset Current: 0.01 pA (100 max)

Ja, und super langsam. Da dürfte die Betriebspsannungsunterdrückung 
schon mal nicht besonders sein für höhere Frequenzen.

Grundsätzlich sollte der TIA möglichs klein und eng gebaut werden, 
Abblock-Cs ganz nahe am OPV, und die Massen der TIA-Schaltung inkl. 
Abblock-Ca + PD dahinführen. Und die Betriebsspannungen würde ich über 
einen RC-Tiefpaß zum OPV führen, z.B. 1k+100nF oder so, und vorm Tiefpaß 
10µF||100nF.
Es hat sich auch immer wieder gezeigt, daß ein Abschirmen des gesammten 
TIA richtig gute Entstörung bietet, vor allem bei höherer Verstärkung. 
Breadboard ist Mist dagegen, weil alles breit und lang ist, und nix 
gerschirmt.

[Hatschi Puh (Gast)]

Die Störungen tauchen nur periodisch auf, alle 20 ms ...
In einer Dose auf GND sieht es schon besser aus!

[Hatschi Puh (Gast)]

Klaus R. schrieb:
> Ich dachte Du sprichst im ersten Bild von Kanal 1, gelb. Das sehe ich
> jede Menge Spikes. Das Sinal 2 solltest Du noch besser auflösen. Wenn da
> Spikes sind, dann sind sie kaum sichtbar.

Mißverständnis.
"1, gelb" zeigt die Störungen bei unterschiedlicher Beleuchtung mit 1 
Sekunde Nachleuchten.
2 das Rechteck des unbelasteten Ausgangs

[Hatschi Puh (Gast)]

Jens G. schrieb:
> Ich ahne schon - paar cm verdrillt. Tolle Antenne ...

Ja, ich hatte nichts passendes.
Die Störungen waren aber vorher schon da und sind nicht stärker 
geworden.

Jens G. schrieb:
> Grundsätzlich sollte der TIA möglichs klein und eng gebaut werden,
> Abblock-Cs ganz nahe am OPV, und die Massen der TIA-Schaltung inkl.
> Abblock-Ca + PD dahinführen. Und die Betriebsspannungen würde ich über
> einen RC-Tiefpaß zum OPV führen, z.B. 1k+100nF oder so, und vorm Tiefpaß
> 10µF||100nF.
> Es hat sich auch immer wieder gezeigt, daß ein Abschirmen des gesammten
> TIA richtig gute Entstörung bietet, vor allem bei höherer Verstärkung.
> Breadboard ist Mist dagegen, weil alles breit und lang ist, und nix
> gerschirmt.

Ja, Treffer.

Es sah synchron zu meinem Signal aus, ich bin nicht auf die Idee 
gekommen, mal etwas "rauszuzoomen" :-(

Ich werde den TIA separat auf einer Platine aufbauen und hoffe, dass ich 
ohne Dose auskomme.

Vielen Dank für die Hinweise!

[Hatschi Puh (Gast)]

Ich habe es nochmal kompakt in Basismaterial geritzt (Masse unter dem 
SMD-IC).
100nF und 10 uF für die Versorgung
1 MOhm, 22 pF für den TIA
zweite Stufe mit 100kOhm Trimmer.

Netzstörungen sind auch ohne Abschirmung weg.
Die Schaltflanken kommen noch durch den TIA durch, nach der zweiten 
Stufe sind sie nicht mehr der Rede wert.
22 pF sind wohl etwas zu viel, aber ohne gab es Schwingungen.