50Hz Brumm mit Photodioden-Verstärker

[snip Blechdose]

Hoffentlich haben die Kekse gemundet.. :-)

Klingt doch schon mal gut. Macht den Verstärker auch etwas 'handlebarer', wenn er erstmal als Muster zum Evaluieren für die andere Gruppe dient.

Die Schaltung (ich hab' mal ein bisserl querbeet hier im Baum gelesen) scheint aber das Problem nicht so recht zu treffen ;) Die geforderte Bandbreite ist das Problem. Das Du da wirklich 30kHz erreichst kann ich mir nicht vorstellen!

Erstmal erreicht ja der 1pF-Kondensator schon lange vor den 30kHz Impedanzen von unter 10MOhm und würde die Bandbreite begrenzen. Der OPV hat, wie schon geschrieben, bei 30kHz kaum noch Verstärkung. Die wird dann ~1/5 geteilt und was übrig bleibt(~6) landet am Widerstand. Das gibt einen Eingangswiderstand von etwa 10MOhm/7. Der invertierende Eingang hat ja schliesslich nur im Lehrbuch 0V.

Da der Eingangswiderstand der Schaltung mit der Photodiodenkapazität die Grenzfrequenz bestimmt, sollt die Diode bei 60pF nicht mehr als etwa 80kOhm zu sehen bekommen. Sollen Dir die 10MOhm erhalten bleiben wäre ein OPV mit einem VB-Produkt von mindstens 3.5 MHz (schlauerweise aber ein bisserl mehr) schon sehr wünschenswert.

Da es sich ja wohl erstmal eh nur um ein 'Evaluierungsmusterchen' zum Messen handelt würde ich rein aus dem Bauch heraus erstmal mit einem JFET-OPV (was ordentliches, keine uralten Billigheimer, sonst gibt es gern Effekte, die das Datenblatt einfach nicht erklären mag..) arbeiten und den Offset altmodisch mit Spindeltrimmer wegtrimmen. Die temperaturabhängigkeit der Offsetspannung sollte da nicht stören und die Betriebstemperatur ist gewiss so niedrig dass der Biasstrom noch nicht stört.

Die mitunter ärgerliche Realität der Chopper-OPVs kann man sich ja, wenn wirklich nötig, dann im 2ten Entwicklungsdurchgang antun, nachdem man vorher gesehen hat, was möglich ist.. Mit einer zweiten Verstärkerstufe kann dann der Gegenkopplungswiderstand der ersten Stufe soweit herabgesetzt werden, das der parallel liegende Kondensator praktikable Werte annimmt. Die geringe Verschlechterung im S/N lässt sich wohl verschmerzen..

Das Ausgangsfilter würde ich auch erstmal weglassen, dann sticht eine Schwingneigung besser in's Auge. Ein Ausgangswiderstand muss natürlich bleiben, damit das Oszi den OPV nicht kapazitiv belastet.

Das alles löst zwar Dein Designproblem nicht wirklich, aber vielleicht entschärft sich da ja alles, wenn die andere Gruppe damit die wirklich nötige Empfindlichkeit bestimmt hat.... ;-)

Viel Spass! ;-) Detlef

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Man ersetze das _dot_ in der Email gegen einen Punkt..

Ist das der Wizard für Photodiodenverstärker? So einer liegt dort irgendwo rum. Vielleicht meinten die einen andern Opamp, AD8065. Flott wäre dann der OPA657 von der Konkurrenz.

Mit 50 Meg oder so effektiver Gegenkopplung und einer grösseren Photodiode dürfte die Grenzfrequenz schon tiefer liegen, vielleicht schon deutlich unter 3kHz, wenn man pech hat. Eben hatte ich noch eine Appnote auf dem Tisch (inkl. Fortsetzung), wo recht detailliert auf Bandbreite und Rauschen von Photodiodenvorverstärker eingegangen wird. Insbesondere wurden Vorteile eines zweistufigen Aufbaus diskutiert. Jetzt finde ich weder Appnote noch pdf mehr, ziemlich typisch für mich. War deutlich detaillierter und fundierter als etwa die BurrBrown AB-076 und AB-077. Weder bei AD (obwohl mir war, als wär's in analog dialogue gewesen), TI noch LTC konnte ich das Ding wieder finden. Kann jemand Gedanken lesen und einen Tipp geben?

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mfg Rolf Bombach

Hallo,

Rafael Deliano wrote: [snip]

Der Barcodeträger wird von Hand herausgezogen, so möchte ich erst mal vermeiden den unteren Frequenzbereich zu beschränken.

Guenter

Ich hab ein Dokument von ADI mit dem Namen "Section 5 High Impedance Sensors". Darin ist auch einiges beschrieben. Auch das Buch "Photodiode Amplifiers", Graeme, McGraw Hill hat einige Tipps. Wenn dir die Quelle von deinem Dokument noch mal einfällt würde es mich schon interessieren.

In dem genannten Buch ist eine Schaltung beschrieben, die zwei Verstärker in einem vereint. Also den Strom-Spannungswandler und den Spannungsverstärker. Als Nachteil wird eine geringere Bandbreite und eine Nichtlinearität beschrieben, was aber durch eine bestimmte Beschaltung kompensiert werden kann.

Das will ich mir mal näher ansehen.

Wegen dem gewählten Verstärker muss ich mir noch mal Gedanken machen. Der scheint ja bzgl. Bandbreite ein wenig zu schwach auf der Brust zu sein.

Guenter

Sollbewegungsgeschwindigkeit von Lesestiften verschiedener Hersteller:

34 - 3700mm/sec 50 - 1300mm/sec 80 - 1000mm/sec 76 - 760mm/sec 80 - 800mm/sec Wieviel Hz das als untere Grenzfrequenz macht hängt dann von der Strichstärke ab. Die Erkennungssicherheit wird besser wenn man den Durchlaßbereich auf den tatsächlich benötigten Frequenzbereich beschränkt.

Viele Kleinsignalempfänger werden mit Transistor in Eingangsstufe gebaut, nicht nur wegen low noise, sondern weil der Transistor im Signalpfad ohne Rückkopplung laufen kann und dann weniger Stabilitätsprobleme durch Rückkopplung hat. Der DC-Arbeitspunkt des Transistors kann z.B. durch langsamen Integrator-Servo-OP nachgeregelt werden. Hauptsächlich wurden solche Schaltungen für low-noise Glasfaserkabel- Empfänger veröffentlicht. Ich hab daz Zeug auch mal für jemanden gescannt und noch irgendwo auf Platte, aber wurde dann zu für email zu umfangreich. Kann aber als CD per Post verschickt werden. Für Barcode wird man vermutlich auf Fets verzichten und Schaltung mit 2 Bipolartransitoren mit lokaler Gegenkopplung nehmen. Für die Auslegung dieser Grundschaltung gibts Literatur in älteren Transistorschaltungsbüchern oder Handbüchern wie Gray & Meyer "Analog Integrated Circuit Design " oder Greeneich "Analog Integrated circuits" Warum die OP-Schaltung so gerne Brumm aufnimmt: die Fotodiode ist eine ( hochohmige ) Stromquelle, die OP-Schaltung ein hochohmiger Empfänger. Wenn man beim Bipolartransistor den Strom direkt in die Basis einspeist ist zumindest der Empfänger niederohmig. Es gäbe überigens auch den preiswerten und relativ schnellen LM359 Dual Norton OP den man aus nämlichen Gründen immer noch in Opto-Empfängerschaltungen findet.

MfG JRD

Das lässt sich eventuell mit 2 gestaffelten Opamps auch hinkriegen. Ich glaub, ich hab mich mit den Unterlagen selber "verrückt gemacht", wie man hier sagt. Ich meinte die Burr-Brown Application Bulletins AB-057A und AB-075, also genau eins vor denen, die ich gefunden hatte. Es gibt nur eins, was schlimmer als verlegen ist: Aufräumen ;-).

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mfg Rolf Bombach

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Wie ist das denn bei einem Strom-Spannungsverstärker, da wird ja für die Photodiode ein so genannter Virtueller GND-Punkt erzeugt. Soweit ich das verstehe geht das solange gut, wie der Verstärker durch die Rückkopplung nachregeln kann und den Eingangsstrom von der Diode kompensiert.

Bedeutet das, für Störsignale, wie z.B. das 50Hz Signal funktioniert dieser Virtuelle GND-Punkt nicht?

Gruß

Günter

Nominell korrekt: bei DC & 50 Hz müsste der OP 0V erzeugen können, bei hohen Frequenzen wäre er mangels Gain und wegen Phasenverschiebung dazu auch theoretisch nichtmehr in der Lage. Dreckeffekte halten sich aber oft nicht an ( einfache ) Theorie.

Ich würde vermuten der OP zeigt echte 50Hz an die er an seinem hochohmigen Eingang sieht. a) Er kann sie induktiv z.B. durch das Streufeld eines Trafos bekommen, wenn die Leiterbahnschleife groß ist:

+---------------------+ | | ---- | +--| \ Photo- | Amp >-- diode +--|____/ | | | | +---------------------+

Prinzip magnetische Rahmenantenne: je grösser desto besser. Dagegen hilft beide Leitungen eng führen, Fläche minimieren. b) er kann sie kapazitiv bekommen. Z.B. die Hand über die Leiterplatte halten genügt meist schon. Dagegen hilft Schirmung. Hf-Dosen mit Duchführungskondensatoren sind für hohe Frequenzen sicherlich erforderlich. Bei 50Hz würde ich vermuten, daß Kupferblech drüber/drunter genügt. Kriegt man im Modellbaubedarf in einer Stärke die man mit Schere schneiden kann. Noch besser ist Leiterplattenrohmaterial ( Pertinax wegen leichterer Bearbeitung ) das man mit Laubsäge zurechtschneidet. Für Schirmung tuts das Zeug von ebay. Wesentlich ist hier gute Verbindung auf Massesternpunkt. Das würde sich erleichtern, wenn man die Leiterplatte z.B. als gefädelte Deadbug-Schaltung über Leiterplatte aufbaut die auf Unterseite bereits geschlossene Massefläche ist. Damit hat die Schaltung und die Schirmung problemlosen Zugriff auf gute Massse. Fotos wären z.B. in der Linear Technology Appliaction Note AN47.

Gegen ungünstigen Aufbau würde auch Transitorschaltung nicht helfen. Man kann Transistoren aber besser als OPs direkt als Verstärker in Sensor integrieren. Vgl. JFets in Electret-Mics und Pyro-Bewegungsmeldern. Oder für Stromquellen wie Fotodioden eben bipolare Transistoren a la Fototransistor.

MfG JRD

Nein aber zweistufigen Verstärker [ auf einem IC ] a) Es erhöht jedenfalls die Bandbreite. b) Jedoch ist ein Doppel-OP für Kleinsignale ungeeignet: normalerweise teilen sich die OPs interne Strom- quellen, sodaß es zu Übersprechen vom Ausgang auf Eingang kommen kann. c) Bipolartransitor ist gegen ESD robuster. Maschinen mit Gummiband sind wunderbare Generatoren. Sensor an exponierten Stellen dienen dann gerne als Blitzableiter. Ich behaupte nicht, daß es mit der OP-Schaltung unmöglich ist. Es ist nur so daß mehrmals pro Jahr Leute in der newsgroup mit der Schaltung kommen und nicht glücklich werden. Wenn nämlich der 50Hz Brumm weg ist, stellt man fest, daß man bei hoher Verstärkung Mühe hat Bandbreite rauszuquetschen. Dadurch daß die Fotodiode eine Stromquelle ist, paßt ein Bipolartransitor als stromgesteuerter Verstärker eben besser als ein OP der ein spannungsgesteueres Bauteil ist. Nur wenn das Signal sehr schwach ist würde man auf Fets übergehen. Möglichkeiten für Transitorschaltungen gibts mehrere. Man kann die Eingangsstufe des LM359 Norton z.B. durch Transistor- arrays nachbilden ( Matching für Stromspiegel ).

Wäre für LNA tragisch, aber für Barcode kein allzu schwieriges Problem. Soll die Fotodiode und der Controller auf die gleiche Leiterplatte ?

MfG JRD

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Welche Größenordnung währe das denn? Meine ersten Tests mit Licht reflektiert am weißen Papier haben mir Ströme um 1nA gegeben. Ich vermute mal mit dem Barcode wird das noch schlimmer. Was ist denn die untere Grenze die überhaupt noch machbar ist? Mit dem OP hab ich jetzt immer den IB als Grenze gesehen, der so bei 1pA liegt.

Der Controller ist getrennt von der Fotodiode mit Verstärker. Der Verstärker bekommt seine Versorgung vom Controller. Der Controller existiert schon. Leider passt der Controller nicht ganz so zur Fotodiode. War ursprünglich gedacht einen Zeilenscansensor zu nutzen und daher ist auf dem Controller ein CIS/CCD Sensor Signal Processor XRD98L23 von EXAR. Der ADC darin kann eingestellt werden um das Signal zu sample. Nur ist da viel mehr Logik drin, die überhaupt nicht gebraucht wird.

Sollte das Bord noch mal geändert werden, würde ich einen simplen ADC anstreben.

Günter

Wie soll man das ohne Optik wissen ? Man wird sich für den Entwurf der Optik zwar ein Modell aus den Fingern saugen müssen ( vgl die HP ApplicationNote ), aber das wird man dann anhand des ersten Prototypen der Optik tunlichst verifizieren und passend der Realität annähen müssen. Ich vermute mal Ihr habt euch nicht die Datenblätter der HEDS1000 HBCS1100 HEDS1200 HEDS1300 HEDS1500 angesehen. Da sind auch mechanische Zeichnungen dabei. Sollten sie sonst nicht auftreibbar sein kann ich einige scannen und auf die CD tun. Die Teile scheinen nichtmehr hergestellt zu werden, es gäbe aber noch Bestände bei

Billig warn sie nie. Aber sie funktionieren, was man von lustlosen Eigen- entwicklungen oft nicht sagen kann. HP hat die übliche Anordnung LED und Photodiode seitlich nebeneinander und zwei Linsen die auf gemeinsamen Brennpunkt zeigen. Später hat man noch undurchsichtige Trennscheibe eingebaut um Streulicht direkt von LED auf Fotodiode zu mindern. Da das LED und die Fotodiode als Chip direkt nebeneinander angebracht werden, hat man minimalen Winkel und damit wenig Probleme bei "glänzend" reflektierender Oberfläche. Die ältere Variante für diskrete und damit grössere Bauteile für LED und Fotodiode ist eine Y-förmige Lightpipe oben für LED und Fotodiode und unten mit senkrechtem Austritt aufs Papier. Als starre Teile eigentlich nur für LEDs in Anzeigen handelsüblich ( z.B. "Lichtleiter" ). Man kann natürlich mit dünnen Glasfaserkabeln das basteln anfangen. Z.B. zwei LEDs und dazwischen Fotodiode. Man wird LEDs und Dioden mechanisch passend für Glasfaserkabel wählen. Bevor man aber eine Optik basteln kann, sollte eine Vorgaben vorhanden sein:

• der erforderlichen Apertur d.h. der Strichstärke

• Muster von dem bedruckten Barcode damit man testen kann wie "weiß" und "schwarz" reflektieren. * bezüglich sichtbarem (rot) und IR-Bereich: IR wäre für die Elektronik besser. wenn man die Labels selber bedruckt würde man sich passende Tinte suchen. * bezüglich "diffuser" und "glänzender" Reflexion Wenn man senkrecht kommt wie Lightpipe oder HP hat man da keinen Unterschied.

• Bewegungsgeschwindigkeit min. und max. Zu grosse Fotodioden a la BPW34 sind kapazitiv und nicht sehr schnell. Zu kleine Fotodioden liefern keinen Strom und machen oft Probleme mit der Justage. Insofern sind Grenzfrequenz, noisefloor kein reines Problem des Verstärkers sondern auch der Diode.

• Wieviel Variabilität Abstand Optik zu Label ? HP machen 0,5mm mühsam.

• Wie soll Papierstaub von Optik ferngehalten werden ? Man kann Optik nach unten schauen lassen, aber wenn der Staub statisch aufgeladen ist fällt er nicht zwangsläufig.

• Wie stehts mit ESD, magnetischen, elektrischen Streufeldern ? Bei EMV nachher basteln wird immer sehr teuer und unbefriedigend.

Wenn die Bewegungsgeschwindigkeit sehr hoch ist, kann eine

8 Bit CPU mit der Quantisierung überfordert sein. Man braucht ( vgl. HP-ApplicationNote ) zwei Spitzenwertdetektoren usw. was Rechenzeit frisst.

Sonderlich zielführend scheint die Entwicklung nicht organisiert zu sein. Es ist unsinnig die Entwicklung der Optik von der des Verstärkers zu trennen. Üblicherweise kann ein Analog-Elektroniker der im Besitz einer Laubsäge ist auch übliche Mechanik a la Optik miterledigen. Sinnvoller Übergabepunkt ist am ADC zum Programmierer.

MfG JRD