Suche nach geeignetem OpAmp als Impedanzwandler

[Andreas B. (abeld)]

Hallo,

ich musste entdecken, dass sich ein Impedanzwandler nicht so leicht 
realisieren lässt, wie es in den Lehrbuchbeispielen dargestellt wird. 
Noch versuche ich den Phänomenen mit LTspice auf die Schliche zu kommen; 
ich experimentiere also noch nicht mit konkreter Hardware.

Anbei Mal ein vereinfachtes Schema mit verschiedenen OpAmps.

Wenn ich mir im OP07_Test den Vergleich von in und out ansehe, dann muss 
ich sagen: So etwas kann ich nicht brauchen! Die Szintillation geht 
davon aus, dass die max. Amplitude des Pulses proportional zur Energie 
des Zerfallsereignisses ist. Das ist sie mit dem OP07 ersichtlich nicht.

Und dann hab ich auch Mal den LMP773x eingesetzt. Auf dem Weg vom Knoten 
„Anode“ zum Knoten „in“ bekommt das Signal einen Offset von -2,5 V. 
Warum? Woher? Wieso? Wie kann ich das verhindern?

Außerdem habe ich ausprobiert: AD4500, MCP601, LM6172, ADA4625, ADA797

Damit erhalte ich DC-Offsets, die ich für das Folgende nicht brauchen 
kann, oder ich bekomme völlig unerwartete Outputs. Jedenfalls nicht was 
ich von der Funktion eines Impedanzwandlers erwarte.

Wozu brauche ich das Ganze:

Ich experimentiere mit einem Szintillationsdetektor aus NaI-Kristall und 
Photomultiplierröhre (PMT). Der PMT besteht aus Kathode, 10 Dynoden und 
Anode. Zur Beschaltung des PMT dient ein Divider, der eine Hochspannung 
von 500 bis 1200 VDC auf die PMT-Elemente verteilt und das Signal der 
Anode auskoppelt. Für den DIY-Bereich wird zur Digitalisierung eine 
Soundkarte verwendet. Das direkte Anodensignal ist aber zu schnell / 
hochfrequent, daher braucht es einen PMT-Adapter, der das Anodensignal 
so weit in die Länge zieht, dass es die Soundkarte auch digitalisieren 
kann. Für all das existiert freie Software und Open-Hardware-Projekte 
als Vorlage für Divider und PMT-Adapter.

In meinem PMT-Adapter arbeiten 2x LMP7731 (Noise f=1kHz 2.9nV/sqrt(Hz), 
CMRR 130dB, GBW 22MHz, Slew Rate 2.4V/us). Ob diese Werte nötig sind, 
weiß ich nicht, aber der Impedanzwandler sollte diese Werte – nach 
Möglichkeit - nicht unterschreiten.

Divider und PMT-Adapter sind mit einem BNC-Kabel (50Ohm Impedanz) 
verbunden. Der Impedanzwandler soll zum einen Fehlanpassung verhindern.

Der zweite Grund für den Impedanzwandler ist etwas komplexer. Das 
Anodensignal wird als Stromquelle angesehen und als solche simuliert. 
Mit einem Lastwiderstand im Divider lässt sich bestimmen, wie groß die 
Spannung des Signals am Dividerausgang ist. Ohne Impedanzwandler wird 
der Anodenstrom in zwei Ströme geteilt, die im Zeitverlauf und in der 
Amplitude sehr unterschiedlich sind. Mit Impedanzwandler sollte der 
Lastwiderstand im Divider die Spannungsamplitude eindeutig bestimmen und 
außerdem kann ich ihn als Shunt nutzen um – mit einem Oszilloskop – 
Amplitude und Zeitverlauf einzelner Anodenimpulse zu bestimmen.

Gruß Andreas

[Clara (clara)]

Schnelle Antwort:
Der OP07 hat eine geringe Slew Rate. Laut OP07_Test_Diagramm.gif hast du 
etwa 0,25V/µs. Das Datenblatt sagt: typ. 0,3V/µs (min. 0,1V/µs).

Die Schaltung mit dem LMP773x hat keinen Gleichstrompfad am 
nicht-invertierenden Eingang.

[Andreas B. (abeld)]

Hallo Clara,

Clara schrieb:
> Die Schaltung mit dem LMP773x hat keinen Gleichstrompfad am
> nicht-invertierenden Eingang.

hab ich einen Fehler in meinem Schema, oder in der Simulation?

Der DC-Offset kann doch nur aus dem OpAmp kommen?! Und mit ihm gibt es 
dann auch keinen vernünftigen Output.

Zur Erklärung: Ich bin Maschinenbauingenieur und meine ET-Kenntnisse 
sind recht Lückenhaft.

Gruß Andreas

[Udo S. (urschmitt)]

Kläre doch erst mal welche Signalform du hast.
Wichtig ist die Bandbreite und die Slew Rate.
Vorher ist es sinnlos irgendwelche OPs durchzuprobieren.

[Axel S. (a-za-z0-9)]

Andreas B. schrieb:
> Hallo Clara,
>
> Clara schrieb:
>> Die Schaltung mit dem LMP773x hat keinen Gleichstrompfad am
>> nicht-invertierenden Eingang.
>
> hab ich einen Fehler in meinem Schema, oder in der Simulation?

Abgesehen davon, daß beides Schemata sind ... in LMP773x_Test_Schema.gif 
gibt es keinen Gleichstrompfad am (+) Eingang des OPV. In 
PMT_Adapter_09d_Impedanzwandler_Schema.gif allerdings schon (R5 und über 
R4, R6, R16 eine DC-Kopplung vom Ausgang des OP07.

> Zur Erklärung: Ich bin Maschinenbauingenieur und meine ET-Kenntnisse
> sind recht Lückenhaft.

Dann frag jemanden, der sich damit auskennt. Das Hauptproblem ist 
erstmal der zu langsame OP07. Wenn du über alles eine Slewrate von 
2.5V/µs willst, dann ist er Faktor 10 zu langsam.

Ich hinterfrage allerdings auch den Sinn von R1. In Verbindung mit R2 
muß der arme OP07 eine Last von 25Ω bedienen. Ebenso fragwürdig ist die 
abenteuerliche Versorgung der LMP773 mit V3 und Poti1.

[Ralph B. (rberres)]

wie Clara schon geschrieben hat muss der positive Eingang des 
Impedanzwandlers zwingend über einen Widerstand mit Masse verbunden 
sein.
Sonst driftet die Ruhespannung am Ausgang irgendwo hin.

Wie groß der Widerstand sein muss, hängt von der Impedanz der Quelle ab, 
also von deiner PMT, als auch von der Eingangsimpedanz des 
Operationsverstärkers. Ich kann jetzt nicht beurteilen wie hochohmig 
dein PMT abgeschlossen sein muss.

Als Operationsverstärker würde sich eher einer mit Mosfeteingängen 
anbieten, weil dessen Eingangswiderstand eher im Gigaohmbereich liegt. 
Diese habe aber in der Regel höhere Offsetspannungen.

Ralph Berres

[Andrew T. (marsufant)]

Axel S. schrieb:
> Ich hinterfrage allerdings auch den Sinn von R1. In Verbindung mit R2
> muß der arme OP07 eine Last von 25Ω bedienen. Ebenso fragwürdig ist die
> abenteuerliche Versorgung der LMP773 mit V3 und Poti1.

Vermutlich hat der TE irgendwo mal gehört, das man Koax KAbel mit der 
Nennimpanz abschlisst.
Was, wie schon bemerkt wurd, a.) für dne OPV zu niederohmige Last ist 
und b.) wenn sinnig ist bei dne paar kHz die der OP07 abkann.

Ebenso sollte der TE wenn es schon an Impedanz denkt den R13 auf sdiw 50 
Ohm ändern.

Was sich nie verstehen werde: Warum frickelt man einen solchen 
Verstärker selbst, wenn man all das vom PMT Hersteller aus dessen 
Sotiment sauber abgestimmt fertig kaufen (könnte) ?
Nicht gegne Ing Mach-Bau -- aber ich gehe ja auch nicht zum Tierarzt 
wenn ic h eine Zahnbehandlung für Homo Sapiens wünsche... :-)

[Andreas B. (abeld)]

Hallo Udo S.,

Udo S. schrieb:
> Kläre doch erst mal welche Signalform du hast.

das ist leider nicht so genau zu sagen. Letztlich will ich mir mit dem 
Impedanzwandler die Möglichkeit schaffen die Anodenpulse möglichst gut 
ausmessen zu können. Ohne Impedanzwandler müsste ich beide Ströme (den 
durch den Lastwiderstand im Divider und den zum PMT-Adapter) erfassen 
und addieren um annährend den Anodenpuls zu erhalten.

Mit einen Tektronix habe ich die folgenden Pulse am Lastwiderstand 
abgenommen. Für den 1. Puls hatte der Lastwiderstand 330kOhm und die 
Signalleitung war offen (kein PMT-Adapter angeschlossen). Für die beiden 
anderen hatte er 1MOhm und an der Signalleitung hing eine Last von 3 
bzw. 6MOhm (nur als einfacher Widerstand, also nicht der PMT-Adapter).

Problem dabei ist die Stochastik der Zerfallsereignisse. Für die 3 
Messungen waren die Energien und damit die Amplituden sicher nicht 
gleich groß. Ich hatte zwar so getriggert, das ich ca. alle 2 Minuten 
einen neuen Puls zu sehen bekomme, ich müsste aber eigentlich über 30 
Minuten den größten Puls heraussortieren um einigermaßen vergleichbar zu 
sein.

Generell habe ich das Gefühl, das ich mit der EXP-Funktion von LTspice 
der Form der Pulse am nächsten komme.

Gruß Andreas

[Andreas B. (abeld)]

Hallo,

Axel S. schrieb:
> Ich hinterfrage allerdings auch den Sinn von R1. In Verbindung mit R2
> muß der arme OP07 eine Last von 25Ω bedienen. Ebenso fragwürdig ist die
> abenteuerliche Versorgung der LMP773 mit V3 und Poti1.

von anderer Seite bin ich auf eine Fehlanpassung des BNC-Kabels 
hingewiesen worden. Mit R1 und R2 sollte diese verhindert werden?!

Der LMP7731 will als Rail-to-Rail-Typ mit +2,4 und -2,4V versorgt 
werden. Poti1 sollte die Möglichkeit schaffen das GND-Level zu 
verschieben. Das hab ich aber nie versucht, er steht bisher immer in der 
Mitte.

Das ich mit dem OP07 nicht zurecht komme, war mir klar. Ich wollte nur 
dokumentieren, das ich nicht einen beliebigen OpAmp in das Schema eines 
Impedanzwandlers einbauen kann und schon funktioniert er als solcher.

Meine Versuche mit der Suchfunktion eines Bauteilversenders einen 
geeigneten OpAmp zu finden, waren leider nicht erfolgreich, dabei sind 
die anderen OpAmps herausgekommen, die ausprobiert hatte, die aber nicht 
zufriedenstellend waren.

Ich brauche also tatsächlich einen Typ, oder zumindest eine Suchhilfe um 
einen passenden OpAmp zu finden.

Gruß Andreas

[Andreas B. (abeld)]

Hallo Andrew,

Andrew T. schrieb:
> Was sich nie verstehen werde: Warum frickelt man einen solchen
> Verstärker selbst, wenn man all das vom PMT Hersteller aus dessen
> Sotiment sauber abgestimmt fertig kaufen (könnte) ?

diese professionelle Hardware ist verdammt teuer. Als Rentner hatte ich 
mir die Szintillation als Hobby und DIY-Projekt auserkoren. Es gibt dazu 
ja auch Fundstellen im Internet (theremino.com, opengeiger.de, ...), das 
sieht dort alles ganz einfach aus.

Gruß Andreas

[Andrew T. (marsufant)]

Andreas B. schrieb:
> diese professionelle Hardware ist verdammt teuer. Als Rentner hatte ich
> mir die Szintillation als Hobby und DIY-Projekt auserkoren. Es gibt dazu
> ja auch Fundstellen im Internet (theremino.com, opengeiger.de, ...), das
> sieht dort alles ganz einfach aus.

Nun, a bisserl ordentlich viel Geld musst Du eh in die Hand nehmen wenn 
Du sowas bauen willst.
Um einlesen mal hier:

https://www.eevblog.com/forum/projects/op-selection-for-pmt-preamp-on-scanning-electron-microscope/msg3426786/#msg3426786

Da Du relativ schnell reagierende und dennoch linear verstärkende 
Hardware nutzt um deinen PMT auszuwerten, musst du leider einige teuere 
IC kaufen. Deise dann als Anfänger aufzubauen wird dir die nächsten 
Probleme zeigen: Hf taugliche Schaltungsaufbauten.

Je nahc Lebensalter wird es ggfs. zeilich eng mit der Realisierung - 
weil man sich dies Wissen nicht binnen Wochen aneignen kann .-)
Somit nochmals: KAuf Dir was Fertiges, ggfs. gebraucht aus der 
Nuklearinstrumentierung. Ebay und Co haben da regelmässig LAbor-Geräte 
für nen schmalen Taler.