Zweistufiger Verstärker - wohin mit dem Tiefpass ?

[Franz W. (woyzeck)]

Hallo,

ich bastle derzeit an einem zweistufigen Verstärker, der den von einer 
LED stammenden photovoltaischen Strom (0 .. 500nA) in eine am 
ADC-Eingang eines Mikrocontrollers verwendbare Spannung umwandelt.

Die erste Stufe ist ein Transimpedanzverstärker und die zweite Stufe ein 
invertierender Verstärker, den ich vor allem zur Vorzeichenumkehr der 
Spannung benötige. Da das vom Sensor stammende Signal stark verrauscht 
ist bzw. Störsignale (LED Beleuchtung etc.) einfängt und mein Nutzsignal 
nur 500Hz aufweist, soll ein Tiefpassfilter den höherfrequenten 
Rauschanteil mindern.

Die Frage ist nun, ob der Filter zwischen den beiden Verstärkern sein 
soll oder nach dem zweiten Verstärker, also direkt vor dem Eingang des 
ADCs.

[Helge (Gast)]

Wenns nur auf die 500Hz ankommt, Bandpass mit OPV. Höherfrequente 
Anteile auch am TIA wegfiltern, schaltnetzteile und so.

[Jürgen W. (Firma: MED-EL GmbH) (wissenwasserj)]

Du hast ja schon 2 TP-Filter in Form der Feedback-Netze in den 
OPV-Schaltungen.

C3 gehört außerdem weg, das macht das System instabil.

[Franz W. (woyzeck)]

Jürgen W. schrieb:
> Du hast ja schon 2 TP-Filter in Form der Feedback-Netze in den
> OPV-Schaltungen.
>
> C3 gehört außerdem weg, das macht das System instabil.

Danke Jürgen, das war der wesentliche Hinweis. Ich ging beim 
Bypass-Kondensator immer von der Stabilität der Schaltung aus, habe aber 
übersehen, dass ich ihn mit entsprechender Dimensionierung einfach als 
Teil eines TP verwenden kann.

[Helge (Gast)]

Hatte ich in meiner Idee: 2 gleiche TP mit den beiden OPV machen.

Willst du nur die 500Hz als Nutzsignal? - Es ist gut möglich, daß dir da 
LED-Netzteile reinfunken, ist ja harmonische von 100Hz..

[Franz W. (woyzeck)]

Helge schrieb:
> Willst du nur die 500Hz als Nutzsignal? - Es ist gut möglich, daß dir da
> LED-Netzteile reinfunken, ist ja harmonische von 100Hz..

Das geht bei meiner Anwendung leider nicht so einfach. Die 500 Hz sind 
die maximale Trägersignalfrequenz, aber es geht leider bei 0Hz los.
Bei meinen Versuchen war bisher v.a. das 50Hz Signal aus dem Netz 
problematisch, aber das kann auch an meiner schlampigen Masseführung zum 
Oszilloskop liegen. Am Breadboard war die Schaltung jedenfalls 
unbrauchbar und erst beim gelöteten Aufbau mit kurzer Leitungsführung 
sinnvoll zu messen.

Darf ich noch fragen, warum Du bei deiner vorgeschlagenen Achaltung 
einen Bias auf den nichtinvertierenden Eingang des zweiten OpAmps legst 
? Der Eingangsstrom aus der LED fließt doch immer in die gleiche 
Richtung, oder ?

[Helmut Hungerland (Gast)]

C2 kann auf 2n2 vergrößert werden und C4 auf 10n.

[Helge (Gast)]

Ich gehe davon aus, daß du nur im Bereich 0V bis 3,3V messen kannst. 
Daher ist der Nullpunkt des 2. Verstärkers auf der halben 
Betriebsspannung, so hast du für Wechselanteil den größten Hub zur 
Verfügung. Der Gleichanteil ist ja raus-entkoppelt. Wenn du absolute 
Helligkeit (0Hz) mit auswerten willst, muß anders gebaut werden. R und C 
zwischen den beiden OP kannst du so berechnen, daß deine minimale 
interessante Frequenz noch kaum gedämpft wird, also C anpassen auf deine 
Messaufgabe.

[Franz W. (woyzeck)]

Ich hab die Schaltung jetzt sauberer aufgebaut (Versorgungsleitungen 
verdrillt, 100n/1u-Kondensator an die Spannungsversorgung des OpAmp. Das 
50Hz-Signal ist zwar noch wahrnehmbar, aber nicht mehr störend.

Das Ausgangssignal des 2. Verstärkers sieht schon mal gut aus und 
entspricht meinem Simulationsergebnis, aber jenes des 1. Verstärkers 
zeigt äußerst seltsames Spikes beim Schalten:
1) Ansteuerung der LED (=Sender, der auf meine Sensor-LED leuchtet)
2) Ausgangssignal U1
3) Ausgangssignal U2

Der photovoltaische Eingangsstrom beträgt ca. 190nA. Woher könnte denn 
das seltsame Ausgangssignal des 1. Verstärkers kommen ? Messfehler ?

[Helge (Gast)]

Der 1. OPV arbeitet gegen C1. Das ist unberechenbar. Außerdem scheint 
die Grenzfrequenz zu hoch.

[Franz W. (woyzeck)]

So, ich hab jetzt mal etwas größere Bypasskondensatoren herangezogen, 
die Widerstandswerte angepasst und auf den nichtinvertierenden Eingang 
eine Biasspannung von ca. 1,1V gelegt, damit ich keine negative 
Versorgungsspannung benötige. Damit hat der erste OpAmp genug Platz für 
sein invertiertes Signal und der Zweite kommt nur bei ganz hohen 
Eingangssignalen in die Sättigung. Da für meine Anwendung vor allem die 
Sensitivität bei kleinen Signalstärken wichtig ist, geht das in Ordnung.

Leider konnte ich die Schaltung mit dem Spice-Modell des MCP6001 nicht 
zum Laufen bekommen (timestep too small), so dass ich sie grundsätzlich 
mit einem anderen Typ validiert habe. Bandbreite und Phasenverschiebung 
habe ich mit dem MCP6001 validiert (Cutoff bei 1,6 kHz), aber leider nur 
ohne die Bias-Spannung.

Den Rest mache ich morgen mit einem Prototypen.

Vielleicht noch eine blöde Frage zum Schluss: Da ich 16 Eingangskanäle 
habe und daher meine Eingangsstufe auch 16 mal ausführe, benötige ich 
aber den Spannungsteiler für den Bias nur einmal und führe die Spannung 
einfach an alle nichtinvertierenden Eingänge der 16 OpAmps. Das sollte 
doch gehen, oder ? Hier fließt ja (fast) kein Strom und somit können die 
Widerstandswerte des Spannungsteilers auch recht hoch sein, um den 
Ruhestrom niedrig zu halten.