Mehrstufiger Verstärker wird instabil

[MuMa (mumatz)]

Hallo Zusammen,

Ich versuche mich gerade an einer optischen Empfängerschaltung mit einer 
Signalfrequenz von 1MHz. Die Schaltung besteht aus 3 Stufen. Alles ist 
gut bis ich die letzte Stufe (Komparator) anschließe, dann brechen die 
Signale der ersten beiden Verstärker ein und fangen stark an zu 
Rauschen.
Der erste Opamp ist ein OPA380 Transimpedanzwandler, der 2. Opamp ist 
ein normaler Verstärker mit einem GBW von 10MHz und der 3. Opamp ist der 
TL714 Komparator von TI.
Weiß jemand Bescheid woran das liegen kann?

LG

[Motopick (motopick)]

> Weiß jemand Bescheid woran das liegen kann?

Bestuemmpt weiss das Jemand.

Du zeigst aber nur eine Prinzipschaltung.
Warum sollte also dieser Jemand Zeit darauf verschwenden
alle moeglichen Fallstricke aufzuzaehlen.

> und fangen stark an zu Rauschen

Das werden wohl eher "chaotische" Schwingungen sein.

[MuMa (mumatz)]

Von mir aus auch chaotische Schwingungen, jedenfalls wäre ich über 
produktive Ratschläge dankbar.
Rf=115 kOhm
R1=R6=120kOhm
R2=12kOhm
R3=1,8kOhm
R4=100kOhm
R5=20kOhm
C=200nF
Die Versorgung der verwendeten opamps sind mit 0,1 uF gegen gnd 
gekoppelt. Das ist die Schaltung mit bauteilwerten, der Aufbau ist ja 
oben zu sehen. Ich hoffe das hilft weiter

[Motopick (motopick)]

> der Aufbau ist ja oben zu sehen.

Ich fuerchte mal, so wird das nichts.

[MuMa (mumatz)]

Was brauchst du denn damit es etwas wird?

[Tom (tom_major)]

> Ich fuerchte mal, so wird das nichts
Vielleicht deswegen?
Ua1=Ua2 x (R3/(R2+R3)) = 5V x (R5/(R4+R5)) x (R3/(R2+R3)) = 5V x 
1,8/13,8 x 20/120 = 0,1087 V

[MuMa (mumatz)]

Naja also die fotodiode generiert einen Strom Id. Das heißt Ua1=Id*Rf. 
Ua2=(1+R2/R3) und die Spannung wird dann gegen ein Referenzpotential 
5V*R5/(R4+R5) verglichen. Wenn Ua2 größer ist als das Referenzpotential 
soll der  Komparator 5V ausgeben, wenn sie kleiner ist 0V. In der 
Simulation funktioniert es auch. Ich bekomme in echt auch ein 
Rechtecksignal am Ausgang raus, verstehe aber nicht warum die Signale 
der ersten beiden Stufen anfangen zu rauschen wenn der Komparator 
angeschlossen wird.

[Bernhard S. (gmb)]

MuMa schrieb:
> wenn der Komparator
> angeschlossen wird.

Ein C von 200nF am Ausgang eines OPV ist ziemlich brutal. Wenn du 
filtern möchtest dann schalte doch wenigstens 100 Ohm in Reihe vor die 
200nF. Vielleicht geht das Problem dann schon weg.

[Andreas S. (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill)]

Die kapazitive Belastung des Ausganges ist so hoch, dass alleine schon 
deswegen der letzte OP schwingen kann. In jedem Fall wird er dadurch 
ordentliche Störungen in die Versorgungsspannung einkoppeln.

Und wie schon von Motopick festgestellt, handelt es sich um eine 
Prinzipschaltung, bei der z.B. die Entkopplung der Versorgungsspannungen 
völlig fehlt. Einfach nur 100 nF-Kondensatoren anzuschließen reicht 
offenbar nicht aus.

Und lasst mich raten: das ganze ist als wilder Drahtverhau auf einem 
Steckbrett aufgebaut. Ansonsten könnte der TE ja auch einen korrekten 
Schaltplan und das Leiterplattenlayout präsentieren. So müssen wir aber 
natürlich als Bittsteller auftreten und ihm jede Salamischeibe einzeln 
aus der Nase ziehen.

[Re (r42)]

Bernhard S. schrieb:
> Ein C von 200nF am Ausgang eines OPV ist ziemlich brutal.

... und bei Schaltzeiten von 12ns de-fakto ein Kurzschluss. Wenn der 
dann mit den max. 110mA (Datenblatt) ge- und entladen wird, kann das die 
Spannungsversorgung signifikant einbrechen lassen. Die 0.1µF gegen GND 
haben dann nichts ersthaftes dagegen zu melden.

Überprüfung: Zeigt die Versorgungsspannung der einzelnen Stufen 
Auffälligkeiten, wenn der Komparator angeschlossen wird?


Abhilfe:

(1) C weglassen. Der ist ein Designfehler. Am Ausgang des Komparator ist 
man in der digatialen Domäne, da sollte es nichts mehr analog zu filtern 
geben, das muss zusammen mit dem Komparatoreingang passieren.

(2) Dem Komparator stattdessen eine Hysterese gönnen, damit der im 
Umschaltpunkt keine undefinierten Sachen macht.

(3) Die Versorgungsspannungen der Stufen gegeneinander entkoppeln, um 
Rückwirkungen zu vermeiden.


HTH (re)

[S. K. (hauspapa)]

Hast du wirklich den Eingang vom 1. Opamp direkt nach Masse geschaltet? 
Ohne symmetrische Versorgung?
Naja, scheint ja zu gehen.

Die Speisung mit 10uF stützen könnte schon einiges bewirken.

Der Rest ist wohl Aufbau bedingt, ein hübscheres Wort für
Mach ein Foto.

Viel Erfolg
Hauspapa

[Rainer W. (rawi)]

MuMa schrieb:
> Weiß jemand Bescheid woran das liegen kann?

Das Signal sollte man wohl besser VOR dem Komparator filtern. Was meinst 
du wohl, was auf der sparsam abgeblockten Versorgungsspannung passiert, 
wenn so eine dicke kapazitive Last wie C umgeladen wird.

MuMa schrieb:
> der Aufbau ist ja  oben zu sehen

Ich sehe da nur ein Schaltbild ohne Bauteildimensionierung - mühsam zu 
lesen, wenn man sich die erst aus mehreren Postings und Textbeschreibung 
zusammensuchen muss.
Wie der Verstärker aufgebaut ist z.B. Entkopplung der Stufen, sieht man 
dem Schaltplan nicht wirklich an.

S. K. schrieb:
> Hast du wirklich den Eingang vom 1. Opamp direkt nach Masse geschaltet?
> Ohne symmetrische Versorgung?
> Naja, scheint ja zu gehen.

Auch TI vertritt im Datenblatt die Meinung, dass das für den OPA380 so 
in Ordnung ist

(V−) < VCM < (V+) – 1.8V

[Enrico E. (pussy_brauser)]

MuMa schrieb:
> verstehe aber nicht warum die Signale der ersten beiden Stufen anfangen
> zu rauschen wenn der Komparator angeschlossen wird.

Der Komparator hat eine zu hohe Verstärkung und noch nicht einmal eine 
Hysterese. Das Rauschen kann durch den 47p minimiert werden.

[Stefan F. (Gast)]

MuMa schrieb:
> Ich versuche mich gerade an einer optischen Empfängerschaltung mit einer
> Signalfrequenz von 1MHz.

Wo ist denn der Filter, der alle ungewollten Frequenzen entfernt? Wenn 
du einfach alles verstärkst, verstärkst du auch alle Störungen von außen 
und innen.

[Jens G. (jensig)]

Enrico E. schrieb:
> Der Komparator hat eine zu hohe Verstärkung und noch nicht einmal eine
> Hysterese. Das Rauschen kann durch den 47p minimiert werden.

Dann wird aber aus seinem einen MHz nichts mehr.

Ansonsten, wie andere schon anmerkten, sind die 200nF am Ausgang 
vollkommen fehl am Platze. Wie kommt man nur auf so ein Spezialdesign? 
Das erzeugt ordentliche Spikes auf der Versorgung, und wenn das auch 
noch ein Steckbrettaufbau ist, dann freut der TL714 sich schon so 
richtig drauf, sich in der Schaltung mit seinen ns-Flanken und (je nach 
Exemplar) bis zu >100mA Ausgangsstrom so richtig auszutoben. Ist 
schließlich ein 50MHz Komparator mit rel. niederohmigem Ausgang.

[Georg S. (randy)]

> Was brauchst du denn damit es etwas wird?

Z.B. ein Foto vom Aufbau.

[Hp M. (nachtmix)]

S. K. schrieb:
> Hast du wirklich den Eingang vom 1. Opamp direkt nach Masse geschaltet?
> Ohne symmetrische Versorgung?
> Naja, scheint ja zu gehen.

Eine symmetrische Versorgung ist nicht nötig, wenn der Eingang des OPAmp 
noch an der negativen Versorgung funktioniert. Das ist selbst bei 
uralten Typen wie LM358, LM339, LM324 mit pnp-Eingangstransistoren der 
Fall.

Kritischer sind schon die paar mV Eingangsfehlspannung, die bei zufällig 
passendem Vorzeichen den Ausgang auf GND festhalten können.
Ein bischen Fremdlicht kann aber verhindern, dass man das überhaupt 
bemerkt, denn die Fotodiode erzeugt schon bei sehr wenig (Fremd)licht 
eine negative Leerlaufspannung von 100mV oder mehr.

Bei höheren Frequenzen betreibt man Fotodioden allerdings meist mit 
einigen Volt Sperrspannung, weil dadurch die Sperrschichtkapazität 
deutlich sinkt.
Lediglich das Rauschen ist im hier gezeigten Elementbetrieb geringer.