Hallo liebe Gemeinde, ich habe ein Problem, bei dem Ihr mir hoffentlich einen guten Tipp geben könnt. Ich konstruiere gerade eine Photodiodenverstärkerschaltung, die sehr schwache digitale optische Signale mit f ca. 1MHz erkennen und in TTL-Pegel umformen soll. Die Verstärkerschaltung ist zweistufig aufgbau (OP und dann Komparator) erledigt ihren Dienst sehr zufriedenstellend. Jedoch stört die Spannungsversorgung extrem und verschüttet das zu verstärkende Signal. Ich habe eine Versorgungsspannung zwischen 12V und 24V zur Verfügung. Genaueres ist noch nicht spezfiziert. Die Verstärkerschaltung benötigt +/-5V. Da ich eine negative Versorgungsspannung benötige, habe ich einen Buck-Down und einen Inverter mit je einem MC34063 entsprechend dem Datenblatt realisiert und mit dem zusätzlichen LC-Tiefpass mit 100uF und 1uH versehen. Die regeln auch sehr sauber die +5V und -5V aus. Der betreffende Schaltungsteil zieht aus/in den beiden Spannungsquellen im Betrieb einen Strom von ca. 10-15mA. Jedoch erscheint trotz aller Filterei offenbar das Schalten der MC34063 als immer wiederkehrende Pulsfahne mit einem Hub von ca. +/- 50mV im Ausgangssignal der ersten Photodiodenverstärkerschaltung. Das Nutzsignal aus der Photodiode liegt mit etwa 50-70mV hinter der ersten Verstärkerstufe nur knapp darüber und ist nur in den Pulspausen sauber zu detektieren. Ebenso entstehen unschöne Störungen in der Bezugsmasse. Natürlich sind alle lastenden Komponenten an den Versorgungsleitungen mit Kapazitäten für eine geringe Impedanz gepuffert :). Ebenso ist die Bezugsmasse auf der zweiseitigen Platine großflächig auf der Unterseite durchgeführt, wodurch eine kurze Masseverbindung von jeder Komponente zur Spannungsquelle geschaffen ist. Alle Komponentengruppen werden einzeln über separierte Versorgungsleitungen (+/-5V) bestromt (Sternschaltung mit Ladungsquellen im Ausgangspunkt). Mittlerweile ist um die Komponenten der Verstärkerschaltung auf der Platine auch ein Abschirmblech intalliert. Daher nun meine Frage: Da ich ein sehr weiten Eingangsspannungsbereich habe, hatte ich einen Linearregler für die +5V-Regelung zunächst ausgeschlossen. Für eine effektive Generierung der -5V kenne ich neben Ladungspumpen nur die Inverterschaltung mit Induktivität. Gibt es eine Möglichkeit die Nutzspannungen +/-5V auch anders aus dem gegebenen Versorgungsspannungsbereich zu generieren und zwar ohne Pulsstörungen und mit möglichst geringem Ripple bei dem angegebenen Strom? Wenn es keine Alternative gibt: macht es Sinn, die Schaltregler auf +/-7V regeln zu lassen und dann die benötigten +/-5V über Linaerregler (7805/7905) zu generieren? Ließen sich so schnelle Spannungsschwankungen im System effektiv unterdrücken? Höchste Priorität ist auf die Qulität der Versorgungsspannungen zu legen. Die Effizienz ist zunächst nachrangig. Da ich an diesem Problem gerade nicht weiter komme, wäre ich über einen hilfreichen Tipp von euch dankbar. Mit Gruß Mike
Schaltregler noise mit einem Linearregler wegmachen ? Schau dir mal die Speisespannungsunterdrueckung eines Linearregler an. Bei DC koennen das vielleicht 60dB sein, bei 100kHz sind das noch 10dB oder sogar Null. Das bedeutet der 100kHz dreck kommt voll durch. Such dir einen Ultralownoise Schaltregler, der zu Beginn weg nur 5mVpp Dreck rauslaesst. Dann einen Filter der den Rest wegmacht. Nachher ist dann auch noch das Layout.
>Natürlich sind alle lastenden Komponenten an den Versorgungsleitungen >mit Kapazitäten für eine geringe Impedanz gepuffert :). Damit ziehst du die hochfrequenten Störungen aber direkt auf die Signalmasse! Besser als ein reiner Cap ist ein RC-Glied, beispielsweise 100R/47µ//100n. Wenn die Störungen weit über 1MHz gehen, kann auch ein RLC-Filter mit 100R/10µ/47µ//100n Sinn machen. >Wenn es keine Alternative gibt: macht es Sinn, die Schaltregler auf >+/-7V regeln zu lassen und dann die benötigten +/-5V über Linaerregler >(7805/7905) zu generieren? Ließen sich so schnelle Spannungsschwankungen >im System effektiv unterdrücken? Kaum. Ein LM7805 hat bei 100kHz zwar noch rund 50dB Ripple-Unterdrückung, aber viele negative Regler tun sich bei 100kHz schon sehr sehr schwer. Besser ist es, den Ripple zusätzlich noch mit einem wirkungsvollen LC-Filter zu bedämpfen. Wie dieser Link zeigt, ist die Bauteilwahl dabei kritisch: Beitrag "Re: Pi - Filter Berechnung" Auch sollte die Switcherfrequenz nicht zu tief liegen, damit das LC-Filter überhaupt genügend Dämpfung erzeugen kann. So um die 100kHz sollten es schon sein. Ich würde auch einen fertigen, kompakten DC/DC-Wandler wie diesen hier nehmen: http://www.reichelt.de/Wandler-Module-DC-DC/TMA-1205D/3/index.html?;ACTION=3;LA=2;ARTICLE=120452;GROUPID=4956;artnr=TMA+1205D;SID=12T-RFuX8AAAIAAHQWA@I5b64880e5dde87665905512cfe53acc8 Ich könnte mir aber sehr gut vorstellen, daß auch ein Layoutfehler für deine großen Störungen verantwortlich sein könnte. Eine durchgehende Massefläche kann sehr hilfreich sein. Zeig doch mal dein Layout/Schaltplan.
Hallo Mike, > Jedoch erscheint trotz aller Filterei offenbar das Schalten der MC34063 > als immer wiederkehrende Pulsfahne mit einem Hub von ca. +/- 50mV im > Ausgangssignal der ersten Photodiodenverstärkerschaltung. Das Nutzsignal > aus der Photodiode liegt mit etwa 50-70mV hinter der ersten > Verstärkerstufe nur knapp darüber und ist nur in den Pulspausen sauber > zu detektieren. Ebenso entstehen unschöne Störungen in der Bezugsmasse. dummerweise muß man bei Schaltreglern ein paar Klimmzüge mehr in Bezug auf EMV machen. Kai Klaas hat ja schon vom Layout gesprochen - das wäre hier hilfreich. Interessant ist insbesondere, wo die Ströme für die Schaltregler auf der Massefläche langlaufen. > Natürlich sind alle lastenden Komponenten an den Versorgungsleitungen > mit Kapazitäten für eine geringe Impedanz gepuffert :). Ebenso ist die > Bezugsmasse auf der zweiseitigen Platine großflächig auf der Unterseite > durchgeführt, wodurch eine kurze Masseverbindung von jeder Komponente > zur Spannungsquelle geschaffen ist. Alle Komponentengruppen werden > einzeln über separierte Versorgungsleitungen (+/-5V) bestromt > (Sternschaltung mit Ladungsquellen im Ausgangspunkt). Mittlerweile ist > um die Komponenten der Verstärkerschaltung auf der Platine auch ein > Abschirmblech intalliert. Was Du probieren könntest sind zusätzliche Ferritperlen (bzw. ein Widerstand) in den +/- Spannungsversorgungen der OPV. Den Widerstand legst Du so aus, daß der Spannungsabfall (der letztlich ja die effektive Versorgungsspannung am OPV verringert) ausreichend klein ist. Die Kapazität am OPV machst Du dann so groß, daß die Grenzfrequenz des RC-Tiefpasses ausreichend klein ist. So einen Widerstand kannst Du ja testweise mal "reinkratzen"; wenn es nichts bringt, brückst Du die aufgekratzte Stelle eben wieder mit einem 0-Ohm-Wideristand. > Gibt es eine Möglichkeit die Nutzspannungen +/-5V auch anders aus dem > gegebenen Versorgungsspannungsbereich zu generieren und zwar ohne > Pulsstörungen und mit möglichst geringem Ripple bei dem angegebenen > Strom? Wozu brauchst Du die -5V denn? Nur für die OPV? Es gibt auch Photodiodenverstärker, die nur eine Spannungsversorgung brauchen. Gruß, Michael
@ Mike (Gast) >Ich habe eine Versorgungsspannung zwischen 12V und 24V zur Verfügung. >Genaueres ist noch nicht spezfiziert. Die Verstärkerschaltung benötigt >+/-5V. Ein TIA braucht meist keine negative Versorgung, dein Lichtsignal ist ja auch nur unipolar. >Da ich eine negative Versorgungsspannung benötige, Wofür? >Buck-Down und einen Inverter mit je einem MC34063 entsprechend dem >Datenblatt realisiert und mit dem zusätzlichen LC-Tiefpass mit 100uF und >1uH versehen. Die Werte klingt etwas komisch. Ich hätte mehr L genommen. >zu detektieren. Ebenso entstehen unschöne Störungen in der Bezugsmasse. Möglicherweis auch ein Messproblem. >um die Komponenten der Verstärkerschaltung auf der Platine auch ein >Abschirmblech intalliert. Nütz nichts gegen leitungsgebundene Störungen. >Linearregler für die +5V-Regelung zunächst ausgeschlossen. Muss man nicht, gerade für die paar mA. >Gibt es eine Möglichkeit die Nutzspannungen +/-5V auch anders aus dem >gegebenen Versorgungsspannungsbereich zu generieren und zwar ohne >Pulsstörungen und mit möglichst geringem Ripple bei dem angegebenen >Strom? Virtuelle Masse. 10V per Linearregler erzeugen. >Wenn es keine Alternative gibt: macht es Sinn, die Schaltregler auf >+/-7V regeln zu lassen und dann die benötigten +/-5V über Linaerregler >(7805/7905) zu generieren? Nein, dein Störungen werden dennoch da sein. > Ließen sich so schnelle Spannungsschwankungen > im System effektiv unterdrücken? Es sind keine Spannungsschwankungen, sondern Störpulse vom Schaltregler, wahrscheinlich ein Layoutproblem. >Höchste Priorität ist auf die Qulität der Versorgungsspannungen zu >legen. Die Effizienz ist zunächst nachrangig. Dann Linearregler 7810 + Virtuelle Masse. Geht auch mit 5V.
Hallo, vielen Dank für die vielen Hinweise. 1. Die Idee mit dem RC-Filter in der Versorgungsleitung finde ich sehr gut. Das wäre auf jeden Fall einen Versuch wert. Sowas habe ich bislang nur statische analoge Datenleitungen gelegt. 2. Der nachträglicheLinearregler fällt somit in der weiteren Plaung aus. 3. Die -5V benötige ich in erster Linie für das Photodiodenfrontend. Damit wird die Photodiode negativ vorgespannt. Als Grundlage habe ich dafür die Designvorschläge des Herrn Hobbs genommen. Ebenso versorge ich damit den ersten OP-Amp (TIA), das wäre aber nicht notwendig. Danach geht es ausschließlich mit Single-Supply weiter (+5V - GND) 4. @Falk Die LC-Werte sind zunächst dem Datenblatt-Design entnommen. Ich hatte damit bisher recht saubere Versorgungsspannungen. Aber da kam es auch meist nicht auf 50mV an... An eine Vergrößerung von L hatte ich aber auch schon gedacht. Das Schirmblech habe ich eingesetzt, da bereits ein an einen Funktionsgenerator angeschossenes Kabel, das nicht mit der Schaltung verbunden ist, hinreichende Störungen verursachte, um sie in der Schaltung gut sehen zu können :( Es ging mir dabei also nicht um die Versorgungsleitungen. Deine Idee mit der virtuellen Masse ist super. Damit hatte ich auch schonmal was gemacht, die Schaltung jedoch war nicht wirklich stabil. Ist damit eine saubere Versorgungsspannung zu erwarten? Mit Gruß und Dank Mike
@ Mike (Gast) >Deine Idee mit der virtuellen Masse ist super. Damit hatte ich auch >schonmal was gemacht, die Schaltung jedoch war nicht wirklich stabil. Dann war was faul. >Ist damit eine saubere Versorgungsspannung zu erwarten? Man braucht keinen Schaltregler für die negative Versorgung.
Hallo nochmal, > Höchste Priorität ist auf die Qulität der Versorgungsspannungen zu > legen. Die Effizienz ist zunächst nachrangig. wenn Du die Aussage "höchste Priorität" erst meinst, dann möchte ich Dich daran erinnern, daß so etwas mit einem Netztransformator und entsprechenden Linearreglern ganz problemlos möglich ist. Aber an sich muß es auch mit einem Schaltregler funktionieren - ordentliches Layout vorausgesetzt. Viele Grüße Michael
>3. Die -5V benötige ich in erster Linie für das Photodiodenfrontend. >Damit wird die Photodiode negativ vorgespannt. Als Grundlage habe ich >dafür die Designvorschläge des Herrn Hobbs genommen. Ach du Kacke, und mit der verseuchten -5V Spannung gehst du direkt an die Fotodiode?? Kein Wunder, daß du dann Störungen hast...
Das klingt für mich nach der klassischen Mehrfachbaustelle. Immer schwer den Background des Fragenden abzuschätzen. Wenn du aber schreibst, digital und geht im Rauschen unter, dann finde ich das suspekt, denn bei niedrigem S/N arbeiten nur Physiker mit digitalen Größen. Nachrichtentechniker benutzen dann komplexere Modulationsverfahren. Im Übrigen hilft eine FFT ungemein bei der Fehlersuche. Damit wir nun keine endlosen Texte schreiben müssen, würde ich schlicht für die Entwicklung eine Batterieversorgung und keinerlei Anbindung an PCs vorschlagen. Damit optimierst du deinen Verstärker und danach gehts an die Versorgung.
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