Unerwünschte Schwingung im Ausgangssignal vom Transimpedanzverstärker

[Petar A. (petar_a)]

Hallo zusammen

bei dem Transimpedanzverstärker Schaltung im Anhang, messe ich am 
Ausgang vom OPAM (U1) Pin 6 eine unerwünschte Schwingung, die vermutlich 
durch R6, R7, R8 und C14 kommt.

Als ich die Schaltung entworfen habe, hatte ich den Ausgang vom OPAM 
direkt an Pin 7 von dem ADC angeschlossen. Dann hatte ich die Schaltung 
zur Korrektur gegeben und dort wurden die R6, R7, R8 und C14 
hinzugefügt.

Begründung für R6, R7, R8: „In evaluation board of the ADC IC they have 
used this. Normally we use 0-ohm resistors to provide low noise path to 
signal as from resistors signal will pass from a very thin wire that 
will not let the signal to pick noise. In normal operation you can 
remove these. Manufacturer suggested this that’s why I added them.“

Die Begründung für C14: „Its decouple capacitor to remove any noise or 
spikes in the input analog signal“

Das was ich am Ausgang erwarte, ist auf dem Bild (erwartetes Signal) zu 
sehen. Wenn ich einfach eine Taschenlampe einschalte und direkt 
ausschalte, sehe ich den Vorgang(Signalverlauf). Also ich brauche kein 
Mittelwert vom Signal, sondern den Signalverlauf.

Am Ausgang messe ich nur die Schwingung und wenn ich mit der 
Taschenlampe leuchte, dann messe ich den Schaltvorgang nicht.

Ich vermute, dass C14 gerade wie Filter für mein Signal ist, aber 
trotzdem bin ich mir nicht sicher.

Ich hoffe, jemand könnte mir sagen, woher diese Schwingung kommt.

Vielen Dank im Voraus!

Petar

[HildeK (Gast)]

Ohne den OPA näher betrachtet zu haben: die meisten nehmen es übel, wenn 
sie eine kapazitive Last sehen und antworten mit Schwingen.
Setze mal den R6 auf 100Ω, um den C14 vom Ausgang zu isolieren.

[HildeK (Gast)]

Noch was:
Wenn du einen ADC mit max. 1MSample/s und einer Eingangsbandbreite von 
15kHz(!) einsetzt, warum dann die Entscheidung für einen OPA mit 210MHz 
GBW-Produkt?
Und woher nimmst du den C4 mit 0.2pF?

[Jens G. (jensig)]

Petar A. schrieb:
> Begründung für R6, R7, R8: „In evaluation board of the ADC IC they have
> used this. Normally we use 0-ohm resistors to provide low noise path to
> signal as from resistors signal will pass from a very thin wire that
> will not let the signal to pick noise. In normal operation you can
> remove these. Manufacturer suggested this that’s why I added them.“

In der Doku zum Eval-Board steht aber:
"When evaluating the ADS8681 performance on the EVM board, the proper 
resisters can be used to
compose a low-pass filter with a 330-pF capacitor (C0G type) together on 
the input path."

D.h., man soll nicht einfach blind kopieren, sondern dies individuell 
dem Zweck entsprechend dimensionieren.
Zumal das Eval-Board sein Signal via Koax-Leitung erhält, also 
möglicherweise eine längere Leitungsstrecke, über die Störungen 
eingekoppelt werden könnten, wofür man dann den LP-Filter nutzen kann. 
Da Du ja hoffentlich den OPV direkt vorm ADC hast, dessen Ausgang auch 
noch dazu niederohmig ist, kann man auf dieses ganze Beiwerk verzichten. 
Erst recht auf den C direkt am OPA-Ausgang, welcher die Ursache für die 
Schwingungen ist.

> Die Begründung für C14: „Its decouple capacitor to remove any noise or
> spikes in the input analog signal“

Brauchst Du nicht, wenn OPV direkt vorm ADC ...

[Petar A. (petar_a)]

Jens G. schrieb:
> Brauchst Du nicht, wenn OPV direkt vorm ADC ...

Danke Jens!
Ich habe den Kondensator entlötet und jetzt funktioniert es.

[Petar A. (petar_a)]

HildeK schrieb:
> Noch was:
> Wenn du einen ADC mit max. 1MSample/s und einer Eingangsbandbreite von
> 15kHz(!) einsetzt, warum dann die Entscheidung für einen OPA mit 210MHz
> GBW-Produkt?

Der OPAM hat einen hohen Slew Rate und das war auch eine Anforderung für 
die Auswahl. Anforderung an die Bandbreite ist 100kHz.

> Und woher nimmst du den C4 mit 0.2pF?

Ich hatte mich an die Anleitung im Anhang gehalten.

Bei R1 von 100K und Bandbreite von 100kHz (Anforderung) muss C1 < 15.9pF
Da es nicht steht, dass der Kondensator nicht viel kleiner sein darf, 
habe ich den 0.2pF ausgewählt. Vielleicht hat mein Auswahl von viel zu 
kleinen Kondensator Auswirkungen auf die Schaltung, die mir nicht 
bekannt sind.

[Mohandes H. (Firma: مهندس) (mohandes)]

Petar A. schrieb:
>> HildeK schrieb:
>> Und woher nimmst du den C4 mit 0.2pF?
>
> Ich hatte mich an die Anleitung im Anhang gehalten.

Vielleicht war die Frage eher praktisch gemeint, zumindest ist es ein 
praktisches Problem: woher bekommst du einen Kondensator mit 0,2 pF? 
Hinunter bis 0,5 pF gibt es in SMD.

Auch wenn du so einen Kondensator bekommst, macht das Sinn? Benachbarte 
oder gegenüberliegende Leiterbahnen haben ja auch Kapazitäten, die in 
der Größenordnung von 1p liegen, weit größer als 0,2p. Das läßt sich 
berechnen, zumindest abschätzen. Hier eine ganz gute Übersicht:

https://www.elektronikentwickler-aachen.de/allgemeines/kapazitaet_leiterbahnen.htm

Da aber P1 regelbar ist, kann ich mir nicht vorstellen, daß die 
Kapazität in der Rückkopplung so klein ist. Kapazitäten von ein paar pF 
sind eher denkbar und üblich.

[Mohandes H. (Firma: مهندس) (mohandes)]

Petar A. schrieb:
> Ich hatte mich an die Anleitung im Anhang gehalten.

> Anforderung an die Bandbreite ist 100kHz.

> Da es nicht steht, dass der Kondensator nicht viel kleiner sein darf,
> habe ich den 0.2pF ausgewählt.

Das steht da zwar nicht explizit.

Hast du mit den 210 MHz gerechnet? Wenn deine tatsächliche Bandbreite 
<100 kHz ist, dann kommst du doch für die Kapazität auf Größenordnungen 
mehr! Und das ist realistisch.

Das wird auch dein Problem mit den unerwünschten Schwingungen lösen. Der 
Kondensator entsprechender Größe bildet einen TP in der Rückkopplung und 
beugt so Schwingungen vor:

Beitrag "Warum wird ein OP durch einen Kondensator stabil?"

[HildeK (Gast)]

So, wie ich das verstanden habe, ist dieses C die unvermeidliche 
Streukapazität an der Stell und ist nur zu Berücksichtigung bei den 
Berechnungen aufgeführt und nicht als zu beschaltendes BE gedacht.

[Mohandes H. (Firma: مهندس) (mohandes)]

HildeK schrieb:
> So, wie ich das verstanden habe, ist dieses C die unvermeidliche
> Streukapazität an der Stell und ist nur zu Berücksichtigung bei den
> Berechnungen aufgeführt und nicht als zu beschaltendes BE gedacht.

Vermutlich, aber ohne eine Kapazität (also nicht 0,2p) in der 
Rückkopplung wird der OP instabil. Erschwerend kommt hinzu, daß der 
THS4631 ein ziemlich schneller OP ist.

[Olaf (Gast)]

> So, wie ich das verstanden habe, ist dieses C die unvermeidliche
> Streukapazität

Transimpedanzverstaerker werden alleine schon durch die 
Eingangskapzitaet
der Diode instabil. Die brauchen dieses C um das zu kompensieren.
Es gibt da diverse Applikationen und ganze Buecher drueber wie man
sowas stabil bekommt wenn man eine hohe Bandbreite braucht.

Ich kann das hier empfehlen:

https://www.amazon.de/Photodiode-Amplifiers-Op-Amp-Solutions/dp/007024247X

Olaf

[Jens G. (jensig)]

Mohandes H. schrieb:
> Das wird auch dein Problem mit den unerwünschten Schwingungen lösen.

Vielleicht solltest Du erstmal wach werden - das Problem ist schon lange 
gelöst.
Aber klar, 0,2pF ist ein sinnlos kleiner Wert, wenn es nicht gerade um 
Höchstdrehzahlen geht ...

[Harald W. (wilhelms)]

HildeK schrieb:

> Und woher nimmst du den C4 mit 0.2pF?

Zwei isolierte Drähte verdrillen. :-)

[Sebastian (Gast)]

Harald W. schrieb:
> HildeK schrieb:
>
>> Und woher nimmst du den C4 mit 0.2pF?
>
> Zwei isolierte Drähte verdrillen. :-)

Vielleicht ist der SMD-Footprint gleich direkt der Kondensator :)

LG, Sebastian

[Petar A. (petar_a)]

Vielen Dank für eure Beiträge!

Also die Schaltung funktioniert wie erwartet, nachdem ich den C14 am 
Ausgang entlötet habe, da der einen Tiefpass gebildet hat, wie Jens das 
vom EVM board des ADC auch zitiert hat.

Jens G. schrieb:
> When evaluating the ADS8681 performance on the EVM board, the proper
> resisters can be used to
> compose a low-pass filter with a 330-pF capacitor (C0G type) together on
> the input path.

Und ja nach euren Beitragen bin ich schon einverstanden, dass C4 viel zu 
klein ist.

So hatte ich den gerechnet:

$$C4 = \frac{1}{2 \cdot \pi \cdot 100 kOhm \cdot 100kHz} \leq 15.91pF$$

Ich werden dementsprechend den C4 jetzt auch wechseln.

[Nils (Gast)]

Mohandes H. schrieb:
> Vielleicht war die Frage eher praktisch gemeint, zumindest ist es ein
> praktisches Problem: woher bekommst du einen Kondensator mit 0,2 pF?
> Hinunter bis 0,5 pF gibt es in SMD.

Von Murata z.B. da geht es runter bis 0.1pF

Siehe Bild.

[Mohandes H. (Firma: مهندس) (mohandes)]

Nils schrieb:
> Von Murata z.B. da geht es runter bis 0.1pF

Hätte ich nicht gedacht, wieder was gelernt. Ich hatte bei den üblichen 
Verdächtigen gesucht und nur bis 0,5p gefunden.

Du hast die ja offensichtlich da, wo setzt man Kapazitäten von 0,1p ein? 
Da muß ja auch das Layout passen.