50Hz Brumm mit Photodioden-Verstärker

Hallo,

ich habe ein Problem mit einem Photodioden-Verstärker den ich gebaut habe. Der Verstärker soll Signal bis zu 30kHz verstärken und basiert auf einem AD8571 Operationsverstärker von Analog Device. Das ganze habe ich auf einer Lochrasterplatine aufgebaut.

Fällt kein Licht auf die Photodiode messe ich mit dem Oszilloskop einen

50Hz Signal am Ausgang des Verstärkers. Das Thema ist ziemlich neu für mich und speziell mit der Entstörung von Verstärkern hab ich keine Erfahrung.

Das 50Hz Signal sehe ich nicht, wenn das Oszilloskop angeschlossen ist und der Verstärker ausgeschaltet ist. So vermute ich das es nicht einfach über den Tastkopf bzw. der angeschlossenen Ausgangsbeschaltung des Verstärkers kommt.

Um auszuschließen das es über das angeschlossene Netzteil kommt hab ich den Verstärker mit Batterien betrieben und das Signal ist unverändert da.

Jetzt vermute ich das es über den Verstärkereingang kommt, was auch logisch erscheint?

Ich hab einiges über Rauschunterdrückung in der Stromversorgung des OP gelesen, wenn das Signal jedoch nicht darüber einstrahlt, brauche ich mir darüber nicht so viel Gedanken machen.

Dann hab ich was über eine sogenannte "guarding" Technik gelesen. Bei der wird das nicht-invertierte Signal des OP als Leiterbahn um das invertierte Signal geführt. Dadurch soll der Eingang des Verstärkers nicht so anfällige gegen Störungen sein. Mit meiner SMD Technik auf der Lochrasterplatine hab ich da ein wenig Schwierigkeiten das so zu machen.

Kann mir jemand einen Tipp geben, welche Technik am ehesten zum Erfolg führt?

Ist es am Besten den ganzen Verstärker in ein abgeschirmtes Gehäuse zu packen oder ist das mit Kanonen auf Spatzen geschossen?

Vielen Dank für die Hilfe

Günter Dannoritzer

Reply to
Guenter Dannoritzer
Loading thread data ...

Der Netzbrumm kommt nicht über die Stromversorgung sondern über den hochohmigen Eingang der Verstärkers.

Die ganze Schaltung in ein geschirmtes Gehäuse und dieses mit Masse und Schutzleiter (so vorhanden) verbinden. Falls die Fotodiode extern ist, ein abgeschirmtes Kabel verwenden, Schirm mit dem Gehäuse verbinden und auch die Fotodiode in ein kleines Blechgehäuse.

Guarding hilft gegen Leckströme nicht gegen Netzbrumm. Da eine Fotodiode sehr hochohmig ist, macht das hier Sinn. Grundsätzlich nimmt man einen 1:1 Pufferverstärker und legt das Ausgangssignal auf den Guardring um die komplette Signalleitung. Wenn du TH-Bauteile verwendest, muss der Guardring auf beiden Seiten der Platine sein. Wichtig ist dabei, dass der Lötstopplack innerhalb des Guardrings freigestellt wird. Für schnelle Messungen, wie du vorhast, wird man den Guard mit Hilfe eine Triaxialkabels bis zur Fotodiode weiterzuziehen, es wird dann die Kabelkapazität eliminiert.

Georg

Reply to
Georg Meister

Hallo Günther! Abschirmung ist schon mal bequem und bei Lochrasterplattenaufbau bzw. hochohmigem Eingang und entsprechend hochgeschraubter Erwartung an die Empfindlichkeit auch mehr oder weniger zwingend. Gehäuse natürlich direkt an den Massepunkt auf der Platine legen. Erden gibt leicht mit dem schon geerdeten Oszilloskop eine Brummschleife, also nicht machen (oder testen). Zum Testen reicht eine leere Keks-Blechdose. Da fängt das Bastelvergnügen schon beim Leermachen an :)) Der Aufbau ist sehr entscheidend: Ohne überlegt Masseführung ist dem Brumm wohl nicht beizukommen (der Sternpunkt grüsst z.B..). Das sollte es schon sein, um den beschriebenen Effekt wegzubekommen.

Der Guardring hilft, wie schon geschrieben, nicht gegen das Brummen. Ist bei Lochrasteraufbau auch irgendwie mühsam.. ;) ..und bei unglücklicher Wahl der Photodiode (z.B. grossflächige PIN-Diode) mit Dunkelströmen im nA-Bereich auch nicht nötig. Fernhalten höherer Potentiale vom empfindlichen Eingang, reinigen und trocknen des Aufbaus reichen meist schon. Sonst geht auch der 'fliegende Aufbau' des Eingangskreises, bei dem der Verstärkereingang und alles, was damit in Berührung kommt halt nicht auf die Platiene geführt ist. Die (Vor)Spannung zum Sperren der Diode sollte entsprechend gesiebt sein. Der chopperstabilisierte OPV freut sich sehr über Abblockkondensatoren an seinem Betriebsspannungsanschluss. Bei etwa 30khz ist die Betriebsspannungsunterdrückung des OPVs nicht mehr sooo berauschend, aber sowas fällt ja erst auf, wenn das Brummen beseitigt ist. ;) Möglichst hohe Verstärkung +kleiner Ausgangswiderstand ist sinnvoll, damit Brummeinstreuung am Ausgang nicht mehr stört. Bei dem verwendeten Verstärker und der geforderten Bandbreite ist da aber nicht viel drin: Der hat bei 30khz ja nur noch eine Leerlaufverstärkung von etwa 30, die Verstärkung der Stufe sollte also deutlich niedriger liegen!

Naja, eigentlich gilt hier wieder all das übliche Zeug... Verrate doch mal die Schaltung und vor allem die verwendete Photodiode. Und natürlich die Anforderungen an das Ganze ...

Grüsse Detlef

--
Man ersetze das _dot_ in der Email gegen einen Punkt..
Reply to
Detlef Voss

Glaub ich nicht so, da Fotodioden i.allg. als Stromquelle betrieben werden und daher die Eingangsstufe eher als Transimpedanz-Verstärker (Strom-Spannungswandler) geschaltet ist, dessen Eingangswiderstand nahe 0 Ohm liegt.

Ist prinzipiell richtig, der Verbindung von Masse und Schutzleiter kann ich aber so pauschal nicht zustimmen. Man sollte eher versuchen, Verstärkermasse und Schutzleiter so weit wie möglich getrennt zu lassen. Das gleiche gilt für Anschlußkabel von Sensoren.

Ich denke, daß die Ursache eher eine sog. Masse- oder Brummschleife ist, d.h. eine doppelte Masse- bzw. Erdverbindung. Geringfügige Potentialunterschiede zwischen beiden Verbindungen werden mit dem Verstärkungsfaktor der Eingangsstufe multipliziert und können sich dann chaotisch auswirken.

Wichtig ist erst einmal, die Masse der Verstärker- (und natürlich Fotodioden-)Versorgung völlig getrennt von allen anderen Massen (A/D-Wandler, angeschlossene geerdete Meßinstrumente - bei fast allen Oszis liegt Masse an PE) zu führen, und nur am Analog Ground-Eingang eines AD-Wandlers bzw. direkt am Eingang eines Meßgerätes mit deren Masse zu verbinden. Abschirmungen sollten getrennt davon verbunden werden und nur an einem Punkt geerdet werden - dieser ergibt sich oft zwangsweise durch geerdete Steckergehäuse angeschlossener Geräte. (Bei AD-Wandler-Karten ist oft der Analog GND auch intern mit der Steckerabschirmung bzw. der Masse des PC-Netzteils, die fast immer geerdet ist, verbunden, aber gezielt an einem Punkt - zusätzliche Verbindungen können Masseschleifen verursachen).

Dürfte aber bei den üblichen Fotodiodenströmen keine Rolle spielen. Wir betreiben Photomultiplier mit Ausgangsströmen weit unter 1 uA und haben keine Probleme mit Platinenleckströmen usw. am Eingangsverstärker, der auf einer konventionellen Leiterplatte aufgebaut ist.

Winfried Büchsenschütz (lang genug mit vermeintlichen Brummeinstreuungen gekämft habend, die sich dann als durch die Sensormechanik verursachte Schwingungen fast gleicher Frequenz entpuppt haben)

Reply to
Winfried Buechsenschuetz

Hi!

Bist Du ganz sicher, daß das Netzbrumm ist? Wie hast Du den Verstärker aufgebaut? Vorgespannte Photodiode an -in, R von out nach -in, +in an GND? Das wäre der klassische Strom-Spannungs-Wandler, wegen der Kapazität der Photodiode schwingt der aber gern. Abhilfe: Widerstand zwischen Photodiode und -in.

Kann mir zwar nicht vorstellen, daß man damit auf 50Hz runterkommt, aber wer weiß....

Gruß, Michael.

Reply to
Michael Eggert

"Guenter Dannoritzer"

Vorrausgesetzt alles unter 50Hz kann weg, dann bau doch einfach einen Hochpass und setz den an verschiedene Stellen deiner Schaltung und schau mal wo das Brummen entsteht. Evtl. lässt du den Hochpass dann einfach da, wenn es die Ursache rausfiltert.

lg,

Markus

Reply to
Markus Gronotte

Guenter Dannoritzer schrieb:

Hast Du mal das Licht ausgemacht?

Ciao - Carsten

--
Audio Visual Systems                          fon: +49 (0)2234 601886
Carsten Kurz                                  fax: +49 (0)2234 601887
 Click to see the full signature
Reply to
Carsten Kurz

Wie ich mich selbst schon habe belehren lassen müssen, wäre dann die Störfrequenz 100Hz, da pro komplettem Wellenzug zwei Leistungsmaxima auftreten - der Photodiode ist es egal, wie herum der Strom durch die Birne (oder die Röhre) fließt.

Winfried Büchsenschütz

Reply to
Winfried Buechsenschuetz

Nun wir haben uns vor einiger Zeit mal mit einem Netzbrummproblem herumgeschlagen. Es ging dabei um Messungen an integrierten Halbleiterbaulelementen im pA-Bereich.

Das einzige, was letzlich geholfen hat, was eine komplette Abschirmung aller Baugruppen UND eine satte Verbindung der Masse mit dem Schutzleiter.

Ich muss aber zugeben,. dass wir das Problem damals nicht so hundertprozentig verstanden haben.

Bei uA wird man das nicht machen.

Für Messungen im unteren nA- Bereich und darunter ist das m.E. notwendig, sofern man eine gewisse Genauigkeit und Reproduzierbarkeit erwartet. Wenn die Signalleitungen auf der Leiterplatte länger sind, und vor allem, wenn sie mit Lötstopplack abgedeckt sind, kommen gleich mal Leckströme von einigen nA zusammen.

Georg

Reply to
Georg Meister

"Georg Meister"

hehe... Also bei mir ging es vor einigen Tagen auch darum sehr schwache Signale zu verstärken... Ich hab das Brummsignal im Hintergrund dann ganz stumpf als Kallibrierungssignal (z.B. Diff-OP) angesehen und es funktioniert genauer denn je. Die 50Hz an sich kann man ja ganz simpel durch Fouriertransformation oder Bandpässe wieder rausnehmen, solange die angrenzenden Grenzfrequenzen nicht wichtig sind.

lg,

Markus

Reply to
Markus Gronotte

Oft kann man das auch nicht, manchmal gibt es zufällige Masseverbindungen, z.B. wenn das Gehäuse der Fotodiode mit einem Anschluß verbunden ist und sich nicht anders als in Metallteile einbauen läßt. Manchmal hilft nur Probieren verschiedener Masse- und Erdungskonfigurationen. Ich wollte nur nicht, daß der OP auf einen falschen Pfad gerät, da die von mir beschriebene Methode i.allg. günstiger ist. I.allg. soll heißen, daß sie keineswegs allgemeingültig sein muß.

Soweit ACK.

Winfried Büchsenschütz

Reply to
Winfried Buechsenschuetz

Ja, genau das ist meine Schaltung. Hier mal im Detail was ich bis jetzt habe:

1pF || +--------------||----------------+ | || | | 10M 47k | | ___ ___ | o -|___|---o---|___|-------------o | | | | .-. | | | | | | 10k | | | | '-' VCC | | | + 0,1µF | | | | | | === | || | | GND o----||---+ | | | || | | +---o---+ |\| === | 10k | +------|-\ GND | ___ PIN-040DP/SB - | >--------------o------|___|---o---o UDT Photodiode ^ +------|+/ AD8571 | | | |/| | o---+ | || --- | o----||---+ 470pF --- | | || | | | | === | === - GND === GND VCC GND 0,1µF

VCC ist 5V.

Das Design ist eine Mischung vom virtual design wizard auf der Analog Device webpage und einigen Informationen, die aus dem Buch "Photodiode Amplifiers" von Jerald Graeme entnommen habe.

Der virtual design wizard hat einfach einen Widerstand als Rückkopplung gehabt, das hab ich dann als Widerstands-T ersetzt. Dadurch konnte ich den effektiven Widerstand durch den Spannungsteilerfaktor vergrößern.

Auch hab ich noch einen 30kHz Tiefpass angehängt, um Störsignale oberhalb der gewünschten Frequenz zu unterdrücken.

Mein Ziel ist es, dass ich von einer LED, die auf ein Papier strahlt das Reflektierte Signal aufnehme und dadurch mindestens 100mV an Spannungsänderung am Ausgang bekomme. Mit der jetzigen Schaltung liege ich im Bereich um 80mV, aber der 50Hz Brumm hat auch einen Wert von etwa

80mVpp.

Das werde ich mal überprüfen, mit meiner Fädeltechnik kann es sein das ich einige Brummschleifen mit der Masseleitung gelegt habe. Ich werde mal alle Masseverbindungen auftrennen und als ein Stern neu verschalten.

Zur Zeit hab ich nur den Verstärker, den ich mit einem Steckernetzteil betreibe. Wenn ich mit einem Oszilloskop messe, schließe ich die Masse direkt an der Masse des Steckernetzteils an.

So ist dürfte eine Brummschleife nur über meine Fädeltechnik auftreten?

Das Oszilloskop hab auch ein Steckernetzteil, so vermute ich das die Schirmung bzw. Masse vom Oszilloskop an der Masse des Steckernetzteils angeschlossen ist.

Meine ersten Messungen ergaben das ich nach Signalen im unteren nA Bereich suche. Da scheine ich ja beim Testaufbau erstmal ohne Guardring aus zukommen. Für eine Spätere Leiterplatte könnte ich das ja dann mit aufnehmen. Ich würde eine Technik von Analog Device nehmen, ohne 1:1 Verstärker. Die beschreiben einfach (hab noch mal nachgelesen, kann sein das ich das im OP falsch geschrieben habe) das invertierte Signal um die Leiterbahn des nicht-invertierten Signals herum zu führen.

Reply to
Guenter Dannoritzer

Das hab ich mir auch schon überlegt. Meine Befürchtung bei der Empfindlichkeit ist nur, dass wenn das Gerät mal in ein anderes Umfeld kommt, da dann irgend was anderes einstrahlen kann. Deswegen möchte ich es nicht so am 50Hz Signal festmachen, sondern allgemein störfest bekommen.

Günter

Reply to
Guenter Dannoritzer

Ich hab die Schaltung in einem weiteren Post im anderen Zweig beschrieben.

Der Grund warum ich es als Netzbrumm vermute ist, dass wenn ich den Finger auf den nicht angeschlossenen Tastkopf lege, ich das gleiche 50Hz Signal bekomme. Das war für mich immer der Indikator eines Netzbrumms, vielleicht interpretiere ich das aber auch falsch?

Günter

Reply to
Guenter Dannoritzer
[snip]

Hab mir eine Blechdose zugelegt und werde das mal testen. Ich will auch die ganzen Masseleitungen noch mal auftrennen und als Stern verlegen.

Die verwendete Photodiode ist nur für den Photovoltaic Betrieb gedacht und so betreibe ich sie auch. Zwar kann sie sehr gering vorgespannt werden, ist aber meines Erachtens nicht nötig, da ich die gewünschten Frequenzen auch ohne Vorspannung erreiche.

In einem Post im anderen Zweig hab ich die Schaltung und die verwendete Photodiode beschrieben.

Günter

Reply to
Guenter Dannoritzer

Hi!

Okay, dann ists wirklich Netzbrumm. Nachdem Du Deine Schaltung gepostet hast, wundert mich das aber auch nicht mehr: In der Rückkopplung nen 1:5 Teiler und dann 10MOhm, das heißt Dein Ausgang macht eine Verstärkung von 50V/µA. Photodioden haben in der Größenordnung von 1mA/mW, also wenn 5V full range sein sollen (hab ich geraten), entspricht das 100nW Lichtleistung full range. Wenn Du sowenig Licht hast, denk mal über eine APD (avalanche photodiode) nach.

Gruß, Michael.

Reply to
Michael Eggert

Schaltung sieht gut aus. T-Netzwerk ist eine zweischneidige Sache; es vergrössert Offsetspannungsprobleme, verkleinert Offsetstromprobleme. Da der Verstärker 1uV Offset max hat, ist hier das T-Netzwerk am richtigen Ort. Plus Eingang geht hier direkt an Masse. Das ist beim vorliegenden Verstärker mit Eingangsstromkompensation auch richtig. Bei normalen (FET oder auch nicht)-Verstärkern würde man diesen Eingang über RC an Masse legen. Vcc 5 Volt erschreckt mich etwas, meinst du Plusminus

2.5 Volt? Der Opamp hält ja max nur 6 Volt aus...

Auch wenn man den Verstärker zweistufig ausführt, etwa zwecks Erhöhung der Grenzfrequenz, ist dieser Tiefpass zu empfehlen, um "signalloses" Rauschen rauszufiltern. Ich vermute aber, dass bei dieser Dimensionierung die Grenzfrequenz eh eher unter 3 kHz liegt, dieses Tiefpassfilter also noch mit S/N Gewinn "tiefergelegt" werden kann, ey :-).

Ich hab nicht alles durchgelesen. Ist die Störfrequenz exakt 50 Hz? Hoffentlich kein hausgemachter Müll aus dem Chopper-Amplifier, spread spectrum hin oder her.

Versuch auch mal, etwa den Tisch zu erden. Ist es ein Holztisch mit Metallgestell? Es ist echt krass, was das ausmacht, wenn man das Gestell erdet. Eventuell unter alles mal ein grosses geerdetes Blech legen, darauf dann eine isolierende Platte, sicher ist sicher ;-).

--
mfg Rolf Bombach
Reply to
Rolf Bombach

Hallo,

Das Problem ist, dass die Diode sogar in einem recht unsensiblen Bereich im unteren Blaubereich betrieben wird. Der Wert liegt laut Datenblatt mehr bei 0.2A/W.

Mit der Optik hab ich nichts am Hut, dass wird von einer anderen Gruppe gemacht und so viel ich weiss haben die die Diode mit einem Field Application Engineer von UDT ausgesucht.

Der maximale Bereich für den A/D Wandler ist 1,9V. Das macht aber auch keinen großen Unterschied mehr.

Das Teilerverhältnis 1:5 hab ich einfach mal frei gewählt. Ursprünglich hatte ich nur einen 12MOhm Widerstand als Rückkopplung. Mit konstanten Licht der LED reflektiert auf dem Papier hab ich ein Signal bekommen. Wenn ich jedoch die LED mit z.B. 2kHz moduliere, bekam ich kein Ausgangssignal mehr.

Deswegen war mein Weg die Verstärkung zu erhöhen. Jetzt bekomme ich wieder ein Ausgangssignal, hab aber auch das 50Hz Signal. Das Thema ist ziemlich neu für mich, muss mir erst mal im Klaren werden was überhaupt die Grenzen des machbaren sind.

Ich hab hier eine Henne-Ei Problem. Die Optik-Gruppe kann mir nicht recht sagen wieviel Licht zu erwarten ist, dazu wollen Sie den Verstärker nutzen. Da wir "einige" Kilometer entfernt sind, möchte ich natürlich erst mal einen Verstärker liefern der auch ein Ausgangssignal liefert. Danach muss das ganze sowieso noch getrimmt werden.

Viele Grüße

Günter

Reply to
Guenter Dannoritzer

Das ist ja komisch, ich hab mich bezüglich der Versorgungspannung auf den Analog Wizard von Analog Device verlassen. Jetzt wo ich im Datenblatt nach der Versorgungsspannung schaue kommt mir das auch komisch vor. Eigentlich brauche ich ja keine negative Spannung, so lass ich die -5V weg und leg die -VCC auf GND.

Das mit den 3kHz hab ich nicht verstanden, kannst du das bitte noch mal etwas erläutern? Meinst du das mein Verstärker in der gezeigten Dimensionierung nicht mehr als 3kHz Bandbreite hat und daher der Tiefpass auch entsprechend tiefer gelegt werden kann?

[snip]

Viele Grüße

Günter

Reply to
Guenter Dannoritzer

Das scheint ja der Folge-thread zu "Barcodeleser mit Fotodiode", vgl. google zu sein. In dem Fall braucht man wohl nicht üppige Linearität und Bandbreite kleiner 50Hz bis DC wohl aber Bandbreite nach oben. Die HP-Reflex- lichtschranken haben schlicht Fotodiode und Arbeitswiderstand ( Betrieb in Sperrichtung ) oder Fotodiode und Fototransistor. Da bei denen alles in einer Dose ist fangen sie natürlich keinen Schmutz ein. Ich vermute auch bei dieser Anwendung wird eine Trennung in 2 Boards nötig: Kopf ( LED, Fotodiode mit Buffer ), Kabel, die eigentliche Steuerung mit dem Controller. Montagegünstig wäre ein 2pol verdrilltes ungeschirmtes polungssicheres Kabel. D.h. die Steuerung speist Konstantstrom z.B. 20mA ein, dadurch kann der Kopf das Signal als AC aufmodulieren. Der Kopf hat Brückengleichrichter, damit das ganze polungsunabhängig wird. Wenn der Controller nur 5V Versorgung hat muß man auf den Gleichrichter verzichten und nur parallele Schutzdiode vorsehen

MfG JRD

Reply to
Rafael Deliano

ElectronDepot website is not affiliated with any of the manufacturers or service providers discussed here. All logos and trade names are the property of their respective owners.