Moin,
Ich habe hier teilweise fertig, teilweise in Variante, teilweise funktionsfähig etwa folgende Schaltung:
Oben ist der Teil der Schaltung, der mit aus den 12V vom Netzteil eine zusätzliche 3V-Spannung erzeugt, damit ich im folgenden die OpAmps mit einem ausreichenden Sicherheitsabstand zur Versorgungsspannung betreiben kann.
Es geht eher um die untere Schaltung. Sinn der Sache: Sie Schaltung soll kurze Lichtblitze über die Photodiode messen und das Signal verstärken. Ich möchte die Stärke der Blitze ausmessen. Messen und anzeigen passiert über eine sich an 'Out' anschließende sozusagen Peakhold-Schaltung mit einer Aussteuerungsanzeige. Mir geht es aber jetzt erst mal um diesen Verstärkeraufbau. Die Lichtblitze haben eine Dauer von bis zu 50us und wiederholen sich bis zu 200 mal pro Sekunde (=5ms Periodendauer). Der Photostrom beträgt bis zu 10uA beim Puls, kann aber auch viel schwächer sein. Durch Umgebungslicht ergibt sich ein Strom von bis zu 2uA.
Folgende Fragen zur Auslegung:
Die Schaltung sollte jeden Lichtblitz so behandeln, als wenn es der erste wäre, auch wenn der letzte Blitz erst 5ms zurück liegt. Deswegen die Auslegung der HP-Filter mit 1nF/1MOhm. Das führt zu einer Zeitkonstante des Filter von 1ms. Dieser Wert liegt einigermaßen gut beim geometrischem Mittelwert aus 5ms (Pulswiederhohlrate) und 50us (Dauer Einzelpuls). Allerdings hat anders gerechnet so ein HP-Filter eine Trennfrequenz von unter 200Hz. Wie habe ich das jetzt zu verstehen? Die Pulswiederholsfrequenz von bis zu 200Hz soll ja bitte keinen Einfluss auf das Ergebnis haben. Die Peakhold-Anzeige am Ende soll mir die Stärke jedes Einzelpulses anzeigen und nicht davon beeinflusst werden, ob nun mehr oder weniger Pulse pro Zeit ankommen.
Die Spannungsteiler für die Gegenkopplung sind in dem Verhältnis wohl in Ordnung, nur: Wie groß sollte man die Widerstände wählen? Wären
22MOhm:1MOhm besser, schlechter (schätze ich), wieso? Wonach dimensioniert man das?Die Schaltung soll unabhängig von konstantem Umgebungslicht arbeiten. Auch Lichtblitze nachweisen zu können, die schwächer als das Umgebungslicht sind, wäre wünschenswert. Deswegen der Kondensator am Eingang um den Gleichanteil des Fotostroms wegzumachen. Dummerweise fließt jetzt aber auch nur der halbe Strom der Photodiode (bezüglich kurzer Pulse) durch den Schuntwiderstand (= Potentiometer vor'm OP-Eingang). Das ist nicht schön. Gibt's da 'ne bessere Möglichkeit? Wäre eine Induktivität in Reihe zu dem 1M-Widerstand zwischen Diode und Masse hilfreich, oder würde die nur als Mittelwellenempfänger fungieren:-)?
Das mit dem Poti gefällt mir auch nicht so. Später werde ich den mal durch einen Drehschalter ersetzten, der über eine Widerstandskaskade schaltet, aber vorher muss ich erst mal wissen, in welchem Bereich ich die Kaskade überhaupt auslegen muss, so ist erst mal einfacher/weniger Löterei. Frage: Ist das legitim/üblich, das eventuell schwache Messsignal gleich noch abzuschwächen und dann wieder zu verstärken? Schöner wäre ja, erst mal etwas Dampf zu machen, also erst mal verstärken und dann wieder runterregeln. Aber dann habe ich gleich das Problem, dass der erste Verstärker entweder nichts bereißt oder im Extremfall übersteuert. Derzeit (*) habe ich einen 100k-Poti in der Gegenkopplung und kann damit das Verstärkungsverhältnis regeln. Nur wenn ich das Verstärkungsverhältnis auf 1:2 oder schwächer runterregele, dann fängt der OpAmp an zu schwingen. Vermutlich wegen den bis zu 100kOhm und den parasitären Kapazitäten, die man sich immer irgendwo einfängt. Es ist wohl sinnvoll, die Gegenkopplung immer fest direkt auf der Platine zu verlöten.
(*) Derzeit habe ich nur einen OpAmp so beschaltet wie der linke und das funktioniert einigermaßen, nur würde ich mir etwas mehr Empfindlichkeit/Verstärkung wünschen). Wenn ich die Verstärkung auf
1:100 aufdrehe, habe ich aber drastisch weniger Bandbreite also die 4MHz, die Im Datenblatt angegeben sind. Ist ja auch das Gain-Bandwidth-Produkt.Bezüglich Photodioden habe ich Schaltungsbeispiele gefunden, die den OpAmp als Impedanzwandler schalten. Nur wie realisiert man dann den 'Lautstärkeregler' also den Poti zur Pegelanpassung?
Gehe ich recht in der Annahme, dass ich mit zwei Verstärkern in Reihe mehr Gain herausholen kann ohne die Bandbreite zu stark zu beschneiden, als mit nur einem OpAmp? Wenn ja, wo liegt die Begrenzung, was wäre mit 3, 4, n Verstärkern in Reihe? Wo liegt der Haken an Verstärkerreihenschaltungen, abgesehen von Kosten und Mühen?
Besten Dank für Denkanstöße und Kommentare.
CU Rollo