OpAmp, Filter, Auslegungsfrage

Moin,

Ich habe hier teilweise fertig, teilweise in Variante, teilweise funktionsfähig etwa folgende Schaltung:

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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

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Roland Damm
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"Roland Damm" schrieb im Newsbeitrag news:45087a79$0$5152$ snipped-for-privacy@newsspool1.arcor-online.net...

Keinen gibt es nicht, du musst halt sagen, wie gering. 1% ? Kleiner ? Warum nicht ordentlicher Bandfilter ?

Als PEAK tut sie das auch nicht, wobei waehrend des abflauens natuerlich die Folgeimpulse dir Kurve sehr wohl aendern koennen, wenn sie hich genug sind.

Entsprechend dem Eingangswiderstandsoptimum des OpAmps, wann der also das niedrigste Stromrauschen + Spannungsrauschen hat. Bei FET-OpAmps eher 100k, bei bipolaren eher unter 10k, da kommt dann der Stromverbrauch in den Weg.

Warum ? Klar, der Gleichanteil nicht, aber ansonsten koppelt dein Kondensator und je nach Polti-Widerstand (deiner ist mir zu hoch) fliesst der Strom dort lang.

Keine Ahnung, ausprobieren.

Verstaerkungsfaktor einstellbar machen ?

Gut, aber das hat ja nchts mit deinem Schaltungsprinzip zu tun. Musst du ihn eben weiter kompensieren.

Genau, daher braucht man mehrstufige Verstaerker, zudem kann man Ausgang und Eingang weiter voneinander trennen.

Transimpedanzverstaerker: Strom rein, Spannung raus.

Gegnkopplung.

Siehe oben, geht schon, jede Stufe fuegt atuerlich ihr Rauschen und Offsetfehler etc. bei.

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MaWin

Hallo,

Eine funktionierende Verst=E4rkung zur Verst=E4rkung von Lichtblitzen mit

50ns und ca 200 Hz, also sehr kurzem Dutycycle, +40db habe ich mit Transistoren und Pin Diode aufgebaut, erstellt mit Spice.Vorne ein Emitterfolger, dahinter ein Differenzverst=E4rker in Basisschaltung, danach ein etwas aufwendig beschalteter Komparator, der die Flankenanstiegszeit differenzierte und somit die steigende Flanke erkennt und an einen uC weiterleitet. Empfindlichkeit ca 50m Distanz mit einer einzigen IRED und einer SFH205 Pin Diode.

Gruss, Christian

Roland Damm schrieb:

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Christian Julius

Moin,

Christian Julius schrub:

Dummerweise sagt mir das quasi nichts. Ich bin ja noch am lernen, und da dacht ich mir, das OpAmps etwas nachvollziehbarer funktionieren, als nackte Transistoren. Ist der Schaltung Open-Source:-)?

Das ist auch das, was sich bei meiner Schaltung anschließt: Differenzierer, Komperator (etwas vorgespannt, damit er nicht gleich beim Rauschen Alarm meldet) und dessen Ausgang auf einen S&H-IC (Umschaltung zwischen Sample und Hold). Den Ausgang dann zur Anzeige. Der Teil der Schaltung funktioniert schon und hat sogar auf Anhieb.

Das klingt empfindlich. Ich brauche allerdings Empfindlichkeit im sichtbaren Licht, also da, wo auch Umgebungslicht ein bischen da ist. Vielleicht sogar Leuchtstoffröhrenbeleuchtung - das könnte noch ein Limit/Problem darstellen. Die derzeitige Variante sieht das Flimmern der Leuchtstoffröhren nur, wenn sie direkt reinschaut.

CU Rollo

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Roland Damm

Moin,

Christian Julius schrub:

Nochmal nachgefragt, was meinen +40dB? Vorne geht Strom rein, hinten kommt Spannung raus, wie definiert sich da ein Verstärkungsverhältnis?

CU Rollo

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Roland Damm

Moin,

MaWin schrub:

1% wäre schon toll, Ziel ist zunächst mal 5%, meine mit zunächst selbst gestellte Genauigkeitsanforderung an das Gesamtsystem.

Ach so, nein, das kann nicht passieren. Siehe anderes Posting.

Spannungsrauschen eines Widerstands: U_r=2*sqrt(kTRB). Hier Raumtemperatur, 1MOhm, mal 1MHz Bandbreite angesetzt ->

U_r ~ 1mV.

Rauschen des OpAmp: 15nV/sqrt(B) ->U_r ~ 15uV. Also drastisch weniger. Hmm.

Ein 120k-Widerstand rauscht genau so viel wie der OpAmp. Ein geringerer Widerstand würde das Rauschen also auch nicht weiter verringern, da dann das Eingangsrauschen des OpAmp dominiert.

Aber obiges Widerstandsrauschen von 1mV muss man ja mit dem Signal verleichen, welches 1mV erzeugt, wenn der Fotostrom 1nA beträgt. Also das ist weit genug weg von gut und Böse, wenn das Signal (=Fotostrom) so schwach ist, dann kann ich mit dem OpAmp sowieso nichts anfangen.

Allerdings wenn meine Schaltung Spannungen um Faktor 500 verstärkt, dann werden aus dem Widerstandsrauschen 500mV. Das wären rund 10% vom Vollausschlag bei höchster Empfindlichkeit. Das ist deswegen dumm, weil jeder Peak > 2% Vollausschlag als Lichtpuls detektiert wird.

Da muss ich wohl noch mal nachgrübeln.

Komisch nur, dass ich schon mal irgendwo einen Bauvorschlag gesehen habe (allerdings mit einem eher speziellen OpAmp), wo dennoch ein großer Widerstand empfohlen wurde. Wein ein kleiner und dann mehr Verstärkung würde alles nur noch schlimmer machen. Aber die Schaltung da war auch anders, OpAmp als Transimpedanzverstärker mit 10MOhm in der Gegenkopplung.

Klar. Wiederstand zu hoch? Ja, kann sein, muss ich nochmal genauer drüber nachdenken.

Nicht probiert aber gerechnet: Die Spüle würde hier sogar ins Zimmer passen, aber viel Platz ist dann nicht mehr...:-)

Habe ich ja derzeit, sogar mit einem 100k Poti. Schwingt aber. Was tun? Und überhaupt hat mir anderweitig jemand erzählt, dass ein Poti in der Gegenkopplung ganz großer Bäbä ist, sowas macht man nicht.

Schaltungsbeispiele habe ich nur bezüglich Audio gefunden, aber da wird scheinbar _immer_ das Eingangssignal über den Lautstärkeregler abgeschwächt und dann mit fest verlötetem Verstärkungsverhältnis wieder hochverstärkt. Kann das jemand bestätigen?

Ist mir suspekt, weil mit dem 100k-Poti in der Gegenkopplung schwingt's schon, wie wird das erst mit 1MOhm? Oder na gut, man kann natürlich weniger nehmen.

CU Rollo

Reply to
Roland Damm

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