Transimpedanzverstärker mit LMH6629 schwingt.

[Jonas Bucher (Gast)]

Hi,

ich hab ein Problem mit meinem Transimpedanzverstärker für 'ne 
BPX65-Photodiode. Es handelt sich um einen LMH6629:
+ auf VCC/2, also 2,5V
- über 1k und parallelen 2p auf Ausgang und an Anode der Photodiode
Kathode der Photodiode auf +5V

Der Ausgang hängt direkt (390Ohm Terminierung dazwischen) am Eingang 
eines invertierenden Verstärkers mit ebenfalls einem LMH6629 (22R und 
3k3 => 150fach).

Das Problem ist, dass an der Anode von der Photodiode schon eine 
Störfrequenz von ca. 60MHz (50mVpp) auftacht; das eigentliche Signal ist 
hier, wie eigentlich zu erwarten, noch nicht zu erkennen, dieses habe 
ich am Ausgang der ersten Verstärkerstufe dann wunderschön, nur eben 
überlagert mit der Störfrequenz, was mach ich falsch? Irgendwelche 
Ideen?

Alle IC's sind eigentlich sauber abgeblockt...

Mit freundlichen Grüßen
Jonas Bucher

[ArnoR (Gast)]

> Alle IC's sind eigentlich sauber abgeblockt...

Auch der NI-Eingang?

[Falk B. (falk)]

@  Jonas Bucher (Gast)

>ich hab ein Problem mit meinem Transimpedanzverstärker für 'ne
>BPX65-Photodiode. Es handelt sich um einen LMH6629:

Das ist ein 900MHz Geschoss. Fasten your seatbelts!

>+ auf VCC/2, also 2,5V

Dort auch 100nF gegen Masse zur HF-Abblockung?

>- über 1k und parallelen 2p auf Ausgang und an Anode der Photodiode
>Kathode der Photodiode auf +5V

Hmmm. Eher unüblich, aber machbar. Aber die 2pF/1k scheinen mir zur 
wenig. Allgemein gilt, je kleiner die Transimpedanz umso größer muss die 
Kompensationskapazität sein.

Siehe

http://www.mikrocontroller.net/articles/Lichtsensor_/_Helligkeitssensor#Konstantstromquelle_mit_Transimpedanzverst.C3.A4rker

Ahhh, ich sehe gerade, das ist die Beispielschaltung aus dem Datenblatt 
;-)
Doch wo ist der Pin PD angeschlossen?

Aber bei so einem schnellen OPV ist das Layout sehr wichtig.

MFG
Falk

[Jonas Bucher (Gast)]

Also dankeschön für eure Antworten.

In der Tat sind die 900MHz wohl deutlich zu hoch gegriffen für meine 
Fähigkeiten... und Anforderungen. Aber jetzt ist die Platine schon 
geätzt, vielleicht wird noch was draus.

Ich denke ich komm der Sache bisschen näher; hatte mich anscheinend mitm 
Oszi gehörig vermessen, diese Schwingungen sind in der Form auf der 
Versorgungsleitung schon vorhanden... Morgen od. Übermorgen werd ichs 
mal ohne Labornetzteil versuchen (das Ding is schon ziemlich alt und 
fertig...)

Die 2,5V sind an beiden Verstärkerstufen mit je 10n gegen +%V und gegen 
MAsse abgeblockt.

Ich werde die Kapazität an der Transimpedanz noch erhöhen, beim nächsten 
Test dann.

PD hab ich nicht an meim LMH6629 (SOT23-5).

MfG
Jonas

[Jonas Bucher (Gast)]

Also jetzt in den Ferien hab ich wieder Zeit gefunden, mich weiter damit 
zu beschäftigen.

Spannungsversorgung ist meines Erachtens jetzt OK. Allerdings befindet 
sich die Störfrequenz von ungefähr 30MHz noch immer auf dem Ausgang, die 
Größe des Kondensators an der Rückkopellung ändert das Bild 
erwartungsgemäß, zu klein -> zu viel Rauschen, aber steile Flanken im 
eigentlichen Signal und zu groß -> wenig Rauschen (immer noch zu viel um 
das ganze zu triggern) aber zu langsames Signal.

Habe mit dem OSzi mal Bilder bei 3pF, 7pF und 12pF gemacht, außerdem die 
Spannung an der Anode der Photodiode (Störfrequenz Amplitude 50mV, läuft 
aber nicht irgendwie synchron mit dem Nutzsignal). Gelb ist immer das 
ursprüngliche Signal, welches in den Lasertreiber eingespeißt wird.

Könnt ihr mir vielleicht helfen, wo ich ansetzen muss, denke die 
Rückkopplung sollt am Ende bei 3-7pF bleiben, aber rgendwo anderst 
müsste das Rauschen gefiltert werden. Habe schon 100k parallel zur 
Photodiode geschaltet um den Strom zu erhöhen, sodass sic dieser mehr 
von der Störfrequenz abheben sollte, aber das war glaub ich ein Irrtum 
:)

Deutet diese Störfrequenz auf ein Impedanzproblem der 
Spannungsversorgung hin? Der LMH6629 ist ja auf bis zu 900MHz 
ausgelegt...

MfG
Jonas

[Jonas Bucher (Gast)]

Achja... bei 3 und 7pF sieht das Signal am Oszi noch wesentlich 
verrauschter, nicht irgendwie konstant oder so aus, ursprünlgliches 
Signal ist aber dennoch zu erkennen, auch wenn ich Acquire auf 
Mittelwert schalte.

[Ina (Gast)]

>Könnt ihr mir vielleicht helfen, wo ich ansetzen muss, denke die
>Rückkopplung sollt am Ende bei 3-7pF bleiben, aber rgendwo anderst
>müsste das Rauschen gefiltert werden.

Schaltungen mit diesen sehr sehr schnellen OPamps sind kritisch und 
können nicht so ohne weiteres modifiziert werden. Die 0,6pF im 
Datenblatt stellen sicher schon die optimale Kapazität dort dar, ein 
Vergrößern ist so gut wie sicher kontraproduktiv!

Du kannst nicht einfach diese Kapazität verändern, weil sie erheblichen 
Einfluß auf den Phasengang und die "Phase Margin", also die Stabilität 
der gesamten Schaltung hat. Ein Abweichen vom optimalen Wert kann direkt 
für deine 30MHz Störfrequenz verantwortlich sein!

Wenn du Filtern willst, mußt du das in einem zweiten Schritt machen. 
Zuerst aber muß die Fotodiode sauber angepaßt werden und dazu übernimmst 
du am besten die Datenblattschaltung 1:1 !!!

>Der Ausgang hängt direkt (390Ohm Terminierung dazwischen) am Eingang
>eines invertierenden Verstärkers mit ebenfalls einem LMH6629 (22R und
>3k3 => 150fach).

Das habe ich nicht verstanden. Ist das ein invertierender oder 
nicht-invertierender Verstärker? Auch erscheint mir 150fache Verstärkung 
viel zu hoch gegriffen. Warum teilst du die hohe Verstärkung nicht auf 
zwei OPamps auf?

Übrigens kannst du auch hier nicht einfach die Beschaltungswiderstände 
willkürlich wählen. Alle Frequenzgänge im Datenblatt gelten streng 
genommen nur für Rf=240R. Von diesem Wert weichst du um den Faktor rund 
14 ab, was keine gute Idee ist!

>Das Problem ist, dass an der Anode von der Photodiode schon eine
>Störfrequenz von ca. 60MHz (50mVpp) auftacht.

An dieser Stelle darfst du mit einem normalen Tastkopf sowieso nicht 
messen, weil hier jede noch so kleine Streukapazität katastrophale 
Auswirkungen hat.

>das eigentliche Signal ist hier, wie eigentlich zu erwarten, noch nicht
>zu erkennen,

Ja klar, weil der Transimpedanzverstärker durch die Gegenkopplung hier 
einen virtuellen AC-Massepunkt erzeugt.

>dieses habe ich am Ausgang der ersten Verstärkerstufe dann wunderschön,
>nur eben überlagert mit der Störfrequenz, was mach ich falsch?
>Irgendwelche Ideen?

Wie oben schon ausgeführt, ist die Gegenkopplungskapazität falsch 
bemessen und ruiniert die "Phase Margin". Daher die beginnende 
Schwingneigung, die sich durch die Existenz der 30MHz-Störfrequenz 
ankündigt.

[Jonas Bucher (Gast)]

Danke für deine Antwort.

Ich habe jetzt die 3pF durch gegeneinander geschaltete 
1pF-Kondensatoren, also 0,5pF ersetzt (1,2 hab ich nicht da...); 
außerdem ist der zweite Verstärker (LMH6629, invertierend) jetzt mit 
22R/220R versehen.

Am Ausgang des zweiten Verstärkers sehe ich jetzt die Störfrequenz bei 
80MHz, Nutzsignal ist nur noch zu erahnen...

Spannungsversorgung kann ich leider nicht mehr messen. Selbst wenn ich 
Masse gegen Masse am selben Punkt messe, bekomme ich die Störfrequenz 
von 80MHz (also gleich wie beim Signal) mit einer Amplitude von 100mV...

[Ina (Gast)]

>außerdem ist der zweite Verstärker (LMH6629, invertierend) jetzt mit
>22R/220R versehen.

Aber bedeutet das nicht, daß der treibende OPamp eine Last von nur 22R 
sieht?? Ist das nicht viel zu wenig?

Kannst du mal einen ganzen Schaltplan posten?

>Am Ausgang des zweiten Verstärkers sehe ich jetzt die Störfrequenz bei
>80MHz, Nutzsignal ist nur noch zu erahnen...

Vielleicht entsteht die Störfrequenz ja auch gerade erst durch das 
Anschließen des Tastkopfes?? Mach doch mal einen Serienwiderstand von 
100R direkt an den Ausgang des OPamp und messe mit dem Tastkopf 
dahinter, sodaß die kapazitive Last des Tastkopfes durch den 
Serienwiderstand entkoppelt wird.

>Spannungsversorgung kann ich leider nicht mehr messen. Selbst wenn ich
>Masse gegen Masse am selben Punkt messe, bekomme ich die Störfrequenz
>von 80MHz (also gleich wie beim Signal) mit einer Amplitude von 100mV...

Hhm, sind die Entkoppelcaps mit allerkürzesten Anschlüssen am OPamp 
dran? Jeder Millimeter zählt hier. Mach doch mal 1...10R 
Serienwiderstände in die Zuleitungen, sodaß sich RC-Tiefpässe bilden.

Wieweit ist eigentlich die Fotodiode vom LMH6629 entfernt? Das sind ja 
hoffentlich nur ein paar Millimeter?!?

[Jonas Bucher (Gast)]

Also...

Die Fotodiode ist leider nicht perfekt dran... ist mit einem geschirmten 
Kabel ca. 5cm vom OPamp... macht das die Funktio schon unmöglich?
Außerdem ist das Layout grundsätzlich relativ anfängermäßig :) nehme ich 
an. Die Spannungsversorgung ist durchgehend auf dem TOP-Layer und 
Abblockkondensatoren eigentlich gut platzierrt... Allerdings ist die 
Feedback-Verbindung mittels 2 Vias verbunden...

Mache gleich mal ein Foto und lade das zusammen mit dem Schaltplan hoch. 
Habe leider aufgrund eines Festplattendefekts die originalen EAGLE-Files 
nicht mehr.

Nochmals Danke.

[Jonas Bucher (Gast)]

Hier zwei Bilder vom Aufbau und der Schaltplan:

http://img196.images*ack.us/slideshow/webplayer.php?id=20110805120747.jpg

* durch h ersetzen... meckert wegen Spam...

[Ina (Gast)]

>Die Fotodiode ist leider nicht perfekt dran... ist mit einem geschirmten
>Kabel ca. 5cm vom OPamp... macht das die Funktio schon unmöglich?

Das ist für einen dekompensierten 1GHz-OPamp ganz ganz kritisch.

>Außerdem ist das Layout grundsätzlich relativ anfängermäßig :) nehme ich
>an. Die Spannungsversorgung ist durchgehend auf dem TOP-Layer und
>Abblockkondensatoren eigentlich gut platzierrt...

Wichtig ist das Vorhandensein einer durchgehenden Massefläche.

>Allerdings ist die Feedback-Verbindung mittels 2 Vias verbunden...

Den Feedbackwiderstand auf die Rückseite zu packen und mit zwei Vias 
anzubinden, wird sogar oft auch von den Herstellern empfohlen und ist 
prinzipiell nicht verkehrt. Wichtig ist einfach, alle 
Verbindungsleitungen so kurz wie möglich zu halten, um Streukapazitäten 
und Leitungsinduktivitäten zu vermeiden. Deshalb werden unter dem Chip 
sogar gerne Aussparungen in der Massefläche gemacht.

Im Anhang findest du ein Layout für ein ähnliches Projekt. Man beachte 
die kurzen Abstände zur Fotodiode...

Also, du solltest die Fotodiode ebenfalls auf dem Board haben und das 
ganz Board an der Frontplatte befestigen. Kabel sind hier absolut tabu.

Mir sind aber noch ganz andere Sachen in deinem Schaltplan aufgefallen:

Die Fotodiode mit der Kathode an die +5V-Versorgung zu hängen, ist 
natürlich ungeschickt, wenn diese Spannung verseucht und nicht extra 
gefiltert ist. Jede Störung auf der Versorgungsspannung wird so wieder 
in den Signalweg zurückgekoppelt.

Dasselbe mit der +2,5V-Versorgung. Hier hast du reichlich 10n Caps, die 
Störungen auf der +5V-Versorgung ebenfalls direkt in die 
+2,5V-Versorgung schießen. Diese Störungen werden dann vom zweiten OPamp 
hoch verstärkt...

Du mußt hier schon deutlich aufwendiger filtern und in diesem 
Zusammenhang ist die Hilfsspannungserzeugung mit dem RC-Glied in der 
Datenblatt-Schaltung schon recht geschickt.

Ich würde dir eine etwas andere Schaltung vorschlagen, siehe Anhang:

Zunächt einmal würde ich die Fotodiode mit der Anode an 0V hängen. Wenn 
dann deine Masse halbwegs sauber ist, kommt es nicht mehr zu diesen 
Einkopplungen.

Dann würde ich die Hilfsspannung wieder mittels Spannungsteiler und 
Tiefpaß aus der +5V-Versorgung erzeugen. Wenn deine Masse auf dem Board 
halbwegs sauber ist, ist die Hilfsspannung dann ebenfalls sehr sauber.

Im Anschluß siehst du einen nicht-invertierenden Verstärker. Eine 
zusätzlich Invertierung ist hier wegen dem Umhängen der Fotodiode nicht 
mehr erforderlich. Die Verstärkung ist mit rund 17 so eingestellt, daß 
sie auf jeden Fall über 10 liegt, wenn die beiden 100n Caps bei sehr 
hohen Frequenzen ihre Impedanzen zusteuern. Vergiß nicht, daß der 
LMH6629 ja dekompensiert ist.

Cx gestattet dir eine zusätzliche Tiefpaßfilterung, wenn du das 
wünschst. Der 100R Widerstand am Ausgang des zweiten OPamp entkoppelt 
den Ausgang von kapazitiven Lasten. Den Tastkopf des Oszis schließt du 
an der RECHTEN Seite an!

Die OPamps sehen die +5V-Versorgung nicht direkt, sondern über ein 
RC-Filter. Das hilft zusätzlich Verkopplungen zu unterdrücken.

Sehe gerade, daß ich den Masseanschluß der Versorgungsspannung beim 
zweiten OPamp vergessen habe zu malen. Also bitte genauso anschließen 
wie beim ersten OPamp.

Eventuell profitieren die OPamps davon, wenn du den 100nF Caps in der 
Versorgungsspannung noch einen größeren Tantal im µF-Bereich 
parallelschaltest.

[Jonas Bucher (Gast)]

Super!! Danke.

Dann werde ich mir mal diese Schaltung anfertigen :-)
noch 'ne kleine Frage:
Ist der Hochpass (10n/100R) zwischen erstem und zweiten OPamp (in meiner 
alten Schaltung) nicht ratsam... wegen Gleichspannungsanteil und/oder 
Halogenröhren?

MfG
Jonas

[Ina (Gast)]

>Ist der Hochpass (10n/100R) zwischen erstem und zweiten OPamp (in meiner
>alten Schaltung) nicht ratsam... wegen Gleichspannungsanteil und/oder
>Halogenröhren?

Doch. Wie sehr, hängt von deiner Anwendung ab. Du kannst die zwei 100nF 
Caps unter dem 47R Widerstand in meiner Schaltung ja noch auf 10nF 
verkleinern. Oder hinter dem zweiten OPamp zusätzlich tiefpaßfiltern. Da 
sitzt das Signal ja sowieso noch auf 2,5V.

In deiner Schaltung war das Problem, daß du den Ausgang des ersten OPamp 
mit dem 22R Widerstand am Eingang des zweiten OPamp praktisch 
kurzgeschlossen hast.

[Ina (Gast)]

>Oder hinter dem zweiten OPamp zusätzlich tiefpaßfiltern.

"Hochpaßfiltern" natürlich...

[Jonas Bucher (Gast)]

Okay danke.

[Jonas Bucher (Gast)]

Also...
Ich hab die Platine gerade geroutet. Was hältst du davon?

Ich habe jetzt die 5V am Spannungsteiler für NI vom 1. OPV auch an die 
gefilterten 5V hingehängt.

MfG
Jonas

[Ina (Gast)]

>Ich habe jetzt die 5V am Spannungsteiler für NI vom 1. OPV auch an die
>gefilterten 5V hingehängt.

Ja, kannst du machen, wenn die +5V-Versorgung verseuchter ist, weil du 
sie vielleicht noch anderweitig verwendest. Wenn die +5V-Spannung aber 
ruhiger ist als die gefilterte, dann hänge den Spannungsteiler ruhig 
direkt an die +5V.

>Ich hab die Platine gerade geroutet. Was hältst du davon?

Ja, könnte man fast so lassen. Ein paar Sachen würde ich aber noch 
ändern:

1. Für die Widerstände und Caps in den Gegenkopplungen unbedingt 
0603-Ausführungen nehmen. Das betrifft hauptsächlich R4, C4 und C5, 
sowie R7.

2. Schiebe R4 ein ganz klein wenig nach rechts.

3. Verschiebe R9 viel mehr in Richtung Ausgang des OPamps.

4. Schiebe C9, C10 und C13 noch ein klein wenig in Richtung OPamp.

5. Mach die Platine ein wenig größer, sodaß auch unten eine durchgehende 
Massefläche zustande kommt. Schiebe die OPamps auch ein klein wenig 
weiter auseinander, sodaß die Massefläche, die C9 und C3 miteinadner 
verbindet deutlich breiter wird. Im Moment ist das nur eine viel zu 
schmale Leiterbahn.

6. C3 und C1 sollten besser an die Massefläche angebunden werden. Und, 
ganz schlecht: Die Masseanbindung von C7 und C8 geschieht nicht über 
eine Massefläche, sondern ein lange schmale Leiterbahn. Die Induktivität 
dieser Leiterbahn kann dir schon das Genick brechen! Das MUSST du 
verbessern!
Warum sparst du C7 und C8 sowieso aus der Massefläche aus? Mach es doch 
so wie im Anhang. Vergiß die Vias dort nicht.

7. Vias sind vor allem dort wichtig, wo gute Masseverbindungen 
hergestellt werden müssen. Mach also die Vias vor allem in der Nähe der 
Masseanschlüsse von Bauteilen.

[Jonas B. (jonasbucher)]

Danke für Deine Antwort.

Ich habe versucht, dies alles umzusetzen.

[Ina (Gast)]

Warum bist du so knauserig mit der Massefläche? Leg am unteren und 
rechten Rand ruhig noch etwas nach.

Bei R7 und der Fotodiode habe ich die Aussparung in der Massefläche noch 
etwas vergrößert.

Links und rechts der Leiterbahn zu R6 habe ich noch ein paar Vias 
ergänzt, da sich sonst die Massen von C9, C10 und C13 HF-mäßig nicht 
"sehen.

Generell könntest du noch ein paar Vias plazieren, z.B. rechts von C2 
und um R2 herum.

[Jonas B. (jonasbucher)]

Okay. Die Platine hab ich nach unten rechts ein bisschen erweitert. Den 
Rand zwischen Massefläche und Platinenrand hab ich eigentlich nur drin, 
weil ich die Platine selber säge/ätze... da is der Rand dann nicht immer 
perfekt...

MfG
Jonas

[Jonas B. (jonasbucher)]

Sorry... falsche Auflösung