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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Größerer Widerstand = rauschärmer?Hallo Zusammen, ich habe schon öfter z.B. in OPV Appnotes zu Transimpedanzverstärkern gelesen, dass hier die Regel gilt, je höher der Rückkoppelwiderstand, desto geringer die Rauschspannung. Nach für die Rauschspnnung eines Widerstands verstehe ich das nicht so ganz. Wo liegt mein Denkfehler? Vielen Dank! Achim Das Signal wächst direkt mit R, das Rauschen aber nur mit der Wurzel aus R. Je größer R, umso größer der Signalrauschabstand. Aber am besten ist es, du hast auch ohne großes R schon ein ausreichend großes Signal... Hmmm... das klingt sehr einfach aber einleuchtend - danke! Dann noch eine Frage: Ich habe ab und zu gesehen, dass an Transimpedanzverstärkern der nichtinvertierende Eingang nicht direkt, sondern mit einem Widerstand in Höhe des Widerstands im Rückkoppelzweig gegen Masse geschaltet wird. Was hat das für einen Sinn? http://elektronikwissen.net/opamp/9-opamp-wissen.html Such mal dort auf der Seite nach "Bias-Kompensation" >Ich habe ab und zu gesehen, dass an Transimpedanzverstärkern der >nichtinvertierende Eingang nicht direkt, sondern mit einem Widerstand in >Höhe des Widerstands im Rückkoppelzweig gegen Masse geschaltet wird. Was >hat das für einen Sinn? Sicherlich keine Maßnahme zur Reduzierung des Eigenrauschens... Beitrag "Re: Frage zum Impedanzwandler: mit- und ohne R" Vielen Dank, jetzt ist mir einiges klarer. Jetzt noch eine kurze Frage: schließt ein parallel geschalteter Kondensator (bspw. an dem Beschriebenen zur Bias Kompensation) die Rauschspannung des Widerstands "kurz"? >schließt ein parallel geschalteter Kondensator (bspw. an dem >Beschriebenen zur Bias Kompensation) die Rauschspannung des Widerstands >"kurz"? Ja. In dem Kontext hier habe ich gelesen, dass Aktive Rueckkopplungen u.U. besser sein koennen, da man das thermische Rauschen des Rueckkoppelwiderstandes umgehen kann. Bisherige google suchen haben allerdings nichts brauchbares ergeben. Gibt es hier zufaellig jemanden, der sich mit sowas auskennt und der mich (und den Threadersteller) in die richtige Richtung weisen kann? Ich denke an Photodiodenverstaerker, da diese oefter 1M oder groessere Widerstaende haben und daher das Rauschen auf dem Widerstand zum Problem werden kann... Felix Hi Abdul, Hast du da nen Link der zu den Verstaerkerschaltungen fuehrt? Ich habe auf der Seite nicht gefunden, wo die Aktive Rueckkopplung erklaert wird. Sieht mir so aus als wuerde der Highland PH200 Detektor diese benutzen, aber der Schaltplan war nicht zu finden... > In dem Kontext hier habe ich gelesen, dass Aktive Rueckkopplungen u.U.
besser sein koennen, da man das thermische Rauschen des
Rueckkoppelwiderstandes umgehen kann.
Ich halte diese Aussage für ein Märchen.
Was meinst du mit "aktive" Rückkopplung?
Helmut: Phil Hobbs nennt das offenbar "current feedback". Ich denke das Prinzip ist den Mega- oder Gigoohm Widerstand durch aktive Bauteile zu ersetzen, um das thermische Rauschen zu unterdruecken wenn man viel Verstaerkung braucht. Wie gesagt habe ich Probleme Details dazu zu finden. Hoert sich schon logisch und nicht nach einem Maerchen an, da bei 1MOhm das thermische Rauschen durchaus hoeher sein kann als das Rauschen des OP Verstaerkers. Wenn du da zufaellig mehr zu weisst, nur raus damit. Danke! Felix Man kann auch einen hochohmigen Gegenkopplungswiderstand durch ein niederohmiges T-Netzwerk aus drei Widerständen ersetzen - also eine Art Spannungsteiler. >Wie gesagt habe ich Probleme Details dazu zu finden. Das ist kein Wunder, wenn er seine Schaltung vermarkten will. An anderer Stelle spricht er auch von "photon feedback architecture" und irgendwo scheint er auch einen Optokoppler eingesetzt haben zu wollen. Nicht ganz durchsichtig... Die etwas spezielleren TIA-Schaltungen, die ich kenne, zielen alle darauf ab, die Detektorkapazität vom "-" Eingang des TIA zu isolieren. Dem "-" Eingang des TIA soll also vorgegaukelt werden, daß dort eine ganz kleine Detektorkapazität sitzt. Damit soll erreicht werden, daß das Eingangsspannungsrauschen des OPamp nicht so stark mitverstärkt wird, wie das der Fall wäre, wenn die volle Detektorkapazität mit der Gegenkopplungskapazität den verstärkungsbestimmenden Spannungsteiler bilden würde. Ein anderer Vorteil der kleineren "Detektorkapazität" am "-" Eingang des TIA ist die erhöhte Stabilität der Schaltung, die dann eine kleinere Gegenkopplungskapazität beim TIA zur "phase lag" Kompensation erfordert. Dadurch steigt automatisch die Bandbreite des TIA oft ganz extrem. Die Bandbreitenvergrößerung ist wohl der eigentliche Grund dieser Spezialschaltungen. Wer nur eine sehr eingeschränkte Bandbreite von unter sagen wir mal ein paar kHz benötigt, profitiert von diesen Spezialschaltungen nämlich praktisch überhaupt nicht. >Hoert sich schon logisch und nicht nach einem Maerchen an, da bei 1MOhm >das thermische Rauschen durchaus hoeher sein kann als das Rauschen des OP >Verstaerkers. Wenn du einen OPamp im TIA hast, der mit 5nV/SQRT(Hz) am Eingang rauscht, dann erzeugt der OPamp in einem bestimmten Frequenzbereich eine Ausgangsspannung von rund 500nV/SQRT(Hz), wenn in der Gegenkopplung effektive 1pF sitzen und der Detektor 100pF mitbringt. Ein 1M Widerstand rauscht dagegen mit thermisch 130nV/SQRT(Hz). Nein, es ist gerade das Eigenrauschen des OPamp, das hier zum Problem wird und weswegen diese Spezialschaltungen zum Einsatz kommen, und nicht der Gegenkopplungswiderstand. >Man kann auch einen hochohmigen Gegenkopplungswiderstand durch ein >niederohmiges T-Netzwerk aus drei Widerständen ersetzen - also eine Art >Spannungsteiler. Was das Rauschen erheblich verschlechtert... Alex schrieb: > Man kann auch einen hochohmigen Gegenkopplungswiderstand durch ein > niederohmiges T-Netzwerk aus drei Widerständen ersetzen - also eine Art > Spannungsteiler. mit dem Nachteil das das Gesamtrauschen der Schaltung wieder schlechter wird (es gilt nicht mehr Noise = Wurzel(Rnoise)) und der Offsetfehler des Opamps noch weiter mitverstärkt wird. > Helmut: > Phil Hobbs nennt das offenbar "current feedback". Ich denke das Prinzip > ist den Mega- oder Gigoohm Widerstand durch aktive Bauteile zu ersetzen, > um das thermische Rauschen zu unterdruecken wenn man viel Verstaerkung > braucht. Dann zeig mal einen Link. Ansonsten halte ich das weiterhin für ein Märchen. Hobbs lebt von diesen Ideen und daher hält er sich zurück. Da gibts ein Buch von ihm und endlos viele Usenet-Posts mit vielen Details. Aber Kai hat es schon auf den Punkt gebracht. Ergänzend noch: Diese Spezialkonstrukte sollen auch ungewöhnlich hohe Widerstandswerte im Gigaohm-Bereich und Kapazitäten in der Rückkopplung weit unter 1pF ersetzen. Es gibt auch noch ein paar korrelative Ansätze in wissenschaftlichen Abhandlungen: Dann gelten die herkömmlichen Rauschberechnungen für unkorrelierte Elemente nicht mehr - aus qadratischen Einzelfaktoren werden eher lineare. Man kommt also günstiger weg. Praktische Schaltungen findest du bei LTC. Die gehen schon ziemlich weit, aber nicht auf obiges Niveau! Brauchst du das überhaupt? Eine APD kann man auch nicht bei normalen Laborlicht benutzen ;-) Und ein einzelner Transistor in der ersten Stufe rauscht weniger als ein OpAmp! Brauch aber dann mehr Entwicklerwissen... Mal als Einstieg: http://www.google.de/search?hl=de&source=hp&q=site%3Alinear.com+bf862+photo&gbv=1 Der BF862 ist je nach Geschwindigkeitsbereich so ein Geheimtipp. Gilt als der rauschärmste JFET in seinem Arbeitsbereich und bezahlbar. Nahe am theoretischen Minimum. Hey Danke Abdul, Dein post ist sehr hilfreich, sieht so aus als koennte man das gut als Startpunkt nehmen, um ein wenig mehr zu lernen. Brauche ich es? Um ehrlich zu sein nicht wirklich fuer die Sachen, die ich zuhause mache. Auf der Arbeit sieht es anders aus, da benutzen wir einige von den Sachen die Hobbs mitentwickelt hat. Habe seine aelteren Publikationen ueber die Balanced Detectors gelesen und fand das Thema sehr interessant. Daher habe ich mich halt darueber gewundert, was in den neueren Entwicklungen eigentlich so drinsteckt. Wuerde einfach gerne damit etwas rumspielen und ein besseres Gefuehl dafuer kriegen was geht und was nicht. Ist also quasi etwas, was ich als Hobby interessant finde und auf der Arbeit benutzen/anwenden kann, da ich viel mit empfindlicher Laserspektroskopie mache. Der BF862 sieht interessant aus auch wenn er nicht als matched pair kommt. In den aelteren Schaltungen scheint man die normalerweise zu brauchen, um nen logarithmischen Output zu kriegen. Falls du oder jemand anderes Interesse an sowas rumzubasteln oder sich auszutauschen, schickt mir doch einfach ne PM. Ich suche immer nach interessanten Leuten mit denen man sich ueber sowas austauschen kann. Felix Eine alternative zum klassischen TIA ist die Kompensation des Stromes mit einer 2. Fotodiode, die als eine Art Optokoppler arbeitet. So eine Schaltung habe ich mal in einem Gerät zur Messung sehr kleiner Ströme (Massenspektroneter) gesehen. Der "Optokoppler" bestand da aus einer LED und einer Diode im Glasgehäuse, ähnlich einer 1N4148. >Eine alternative zum klassischen TIA ist die Kompensation des Stromes >mit einer 2. Fotodiode, die als eine Art Optokoppler arbeitet. So eine >Schaltung habe ich mal in einem Gerät zur Messung sehr kleiner Ströme >(Massenspektroneter) gesehen. Der "Optokoppler" bestand da aus einer >LED und einer Diode im Glasgehäuse, ähnlich einer 1N4148. Sehr interessant! Und was war dann das eigentliche Meßsignal? Der Strom durch die LED? Genau: das Ausgangssignal war der Strom durch die LED, bzw. in dem Fall genauer das Tastverhältnis bei der LED. Das gibt im Idealfall das doppelte Shotnoise statt dem Widerstandsrauschen. Bei nicht so extrem kleinen Strömen ist das zusätzliche Shotnoise aber ggf. auch größer. Dazu reicht es schon, wenn die Spannung am Rückkopplungswiderstand im TIA größer ist als etwa 25 mV wird. Für einen 100 M Widerstand in der Rückkopplung liegt der Break-even Punkt dann bei etwa 250 pA - drunter kann die Version mit der Photodiode besser sein, darüber ist der Widerstand besser. Hochinteressant! Muß ich mir mal in einer ruhigen Minute durch den Kopf gehen lassen... 100Mohm, da wird das Ding leider ziemlich langsam sein, oder? Also nur für Meßgeräte, nicht für Datenübertragung. Hast du deine Überlegungen auch mal bei APDs oder gar PMTs gemacht? Die im Single-Photon-Betrieb! Die Physiker basteln dann gerne mit Charge-Amps. Soll irgendwie rauschärmer sein. Habs aber nie vertieft. Wenn es um größere Strome geht, ist der klassische TIA für eine Photodiode oder ähnliches schon nicht so schlecht: aber etwa 25 mV (kT/e) an Spannung am Widerstand ist schon das Schrotrauschen von der Quelle (sofern die Phototen unabhängig von einander kommen) großer als das Thermische Rauschen durch den Widerstand. Sofern die Ströme nicht besonders klein sind, kommt man relativ leicht in den Bereich. Schwierig wird es nur bei kleinen Strömen, weil Widerstände über etwa 100 M schon schwierig werden. Die Lösung mit der Kompensation des Strom durch einen Photostrom geht schon in Richtung Ladungsverstärker, denn es bleibt eine Kapazität in der Rückkopplung. Beim PMT oder gutem APD im Single Photon betrieb ist die Verstärkung im Detektor bereits so hoch, das das Rauschen des Verstärkers nicht mehr so kritisch ist - gefragt ist dann vor allem ein schneller Verstärker, damit man noch eine genügend hohe Zählrate erreichen kann. Eure Abkürzungen musste ich auch erst einmal recherchieren: http://de.wikipedia.org/wiki/Photomultiplier http://de.wikipedia.org/wiki/Avalanche-Photodiode Naja, was APDs und PMTs abgeht liegt die ultimative Empfindlichkeit bei einzelnen Photonen. Das wird besonders interessant wenn man an der genauen Zeit, an der nen Photon auf dem Detektor auftrifft interessiert ist. Fuer das woran ich grade arbeite habe ich allerdings ne komische Lichtintensitaet. Zu hoch fuer einzelphotonen APD und PMT, aber zu klein um sich nicht ueber den Verstaerker Sorgen machen zu muessen. In meinem Fall (Si Detektor im sichtbaren Bereich - ~0.4 A/W) liegt der Photostrom grob im nA Bereich. Daher die Frage, das scheint mir nen unbequemer Messbereich zu sein... Hinzugesagt sei, dass ich nicht an dem DC Signal interessiert bin, sondern an einem kleinen AC Anteil, der Aufmoduliert ist (AC(RMS) ist etwa 1/100000stel des DC Stroms). Daher probier ich da im Moment mit Hobbs autobalanced Detektoren rum und gucke, was es sonst fuer Alternativen gibt. Kai, ist das Rauschspektrum bei der LED Geschichte flach? Finde es hoert sich interessant an und ich sollte wohl mal durchrechnen, ob das nicht was bringen koennte. Hast du da zufaellig noch mehr Information zu? Ich gehe morgen mal zu meinen Mass-Spek Fuzzi und gucke mal, ob der sich da mit auskennt... Felix Bei einem Strom von 1 nA käme man mit einem TIA mit 30 M Ohm in der Rückkopplung schon in den Bereich, dass das Schrotrauschen (also die Statistik der Elektronenzählung) mit dem Rauschen des Widerstandes vergleichbar wird. Das einzige Problem könnte da höchstens die Grenzfrequenz werden - die hängt halt vom Detektor und dem Verstärker ab. Es macht dabei ggf. auch nichts wenn die Signalfrequenz schon im Bereich des 1/f Abfalls ist, das kann man bei Bedarf nach einer Verstärkung auch wieder korrigieren. Eine Frage ist dann noch ob das Licht aus einem Laser oder einer Inkohärenten Quelle stammt: das gibt Unterschiede mit Schrotrauschen. Bei AC Strömen im fA Bereich darf die Bandbreite dann so oder so nicht mehr groß sein, denn mehr gibt die Photonenstatistic ggf. nicht her, denn besser als ein Zählen der Photonen wird auch der beste Verstärker nicht, der den Strom als kontinuierliche Größe behandelt. Wir benutzen Laser, aber wie du gesagt hast kann da das Schrotrauschen anders aussehen. Wir benutzen nichtlineare Optik, um ein ganzes Spektrum an Licht zu bekommen, was dazu fuehrt dass das Rauschen hoeher ist als bei nem guten einfarbigen Laser. Der einzige Weg, wie wir im Moment das Rauschen im Zaun halten ist per Lock-In nur eine sehr kleine Detektionsbandbreite zu haben. Stellt sich halt trotzdem die Frage wie hoch das Rauschen des Verstaerkers ist und in meinem Fall ist das Laserrauschen momentan noch hoeher als Schrotrauschen oder Verstaerkerrauschen. Da gibts dann aber auch wieder Tricks, um Laserrauschen zu reduzieren, siehe Phil Hobbs und Nirvana Photodetektoren. Allgemein finde ich das Thema sehr interessant, man hat praktisch immer was, worueber man sich den Kopf zerbrechen kann :) Ulrich: Was machst du beruflich (wenn man fragen darf)? Bist du Student oder an irgendeiner Uni angestellt? Wir sind an unserer Uni die einzige Gruppe, die mit sowas rumkaempft, da waere es gut wenn man nen Paar Leute von ausserhalb kennt, die aehnliche Sorgen haben ;) Wenn das Rauschen des Lasers stärker ist, bringt es nicht viel das Rauschen des Verstärkers viel weiter zu senken. Für einen Laborversuch wäre ggf. sogar ein gekühlter Widerstand noch eine Option, falls der wirklich begrenzend wird. Je nach Einstellungen könnte man ggf, noch was am Lock-in-verstärker machen: einfach nur die lange Integrationszeit am Lock-in einstellen ist nicht optimal, zumindest bei einem analogen Gerät. Ein Integrieren am PC statt nur im Lockin (per Tiefpassfilter) kann ggf. die Wartezeit für das Einschwingen auf einen neuen Wert reduzieren. Ich bin prom. Physiker, aber momentan nicht in der Physik tätig. Ulrich, das stimmt soweit alles. Der Verstaerker wird erst nen Problem wenn wir das Rauschen vom Laser entfernt haben. Dazu haben wir balanced detectors und noise eaters. Das ist im Moment noch in Arbeit, mal sehen ob das so funktioniert wie es gedacht ist. Auf der Lock-in Seite haben wir nicht mehr viel Raum. Wir nehmen nen DSP Lock-in mit 1s Zeitkonstante und 24dB/oct roll-off. Das scheint gut optimiert zu sein und gibt uns ne Detektionsbandbreite von 78 mHz. Die Idee den Widerstand einfach in Stickstoff zu tunken hatten wir auch, allerdings wuerde das das Problem mit der Bandbreite nicht Loesen. Wir brauchen ~5 kHz, von daher ist die groesse des Widerstandes auch limitiert. Bisher sind wir noch nicht da, aber wir denken dass das vermutlich das naechste Problem wird. Ueber deine Idee jenseits der Grenzfrequenz zu messen muss ich erstmal in Ruhe nachdenken. Intuitiv wuerde ich sagen es ist besser den Widerstand so zu waehlen, dass das Signal grade so um die 1% abfaellt. Welchen Vorteil man hat wenn man sagen wir mal 90% Abschwaechung hat erschliesst sich mir im Moment noch nicht. Ich erinner mich irgendwann mal eine Abbildung gesehen zu haben, wo Verstaerkung von Signal und Rauschen das Verhaeltnis bei hoeheren Frequenzen aendern. Hoffentlich finde ich die Appnote wieder, das koennte vielleicht tatsaechlich ne Option sein. Du meinst die Rauschbandbreite von Widerständen? Die ändert sich bis in den THz Bereich nicht. Danach wirds weniger. Theoretisch könnte man mit einem Mischer das Signal dorthin verfrachten und dort verstärken. Leider rauscht der Mischer auch :-(( Ne andere Idee ist eine Fotodiode als Mischer. Die sollen am geringsten Rauschen in dieser Anwendung. Die Mischung geschieht direkt auf der Oberfläche der Fotodiode. Da gabs mal ein Projekt mit Datenübertragung per gesteuertem Laserstrahl aus dem All. OK, ich fühle schon, damit weit weg von den allgemeinen Interessen zu sein ;-) Die Bandbreitenbegrenzung durch den Widerstand und den zur Stabilität ggf. nötigen parallelen Widerstand wirkt sich auf die Verstärkung für das Signal und das Rauschen aus. Es ändert sich also erstmal das Signal Rauschverhältnis nicht, und hinter dem TIA kann man dann die Spannung verstärken und bei Bedarf auch den Frequenzgang wieder gerade biegen - bei eine solchen Schmalbandigen Messung geht es auch ohne. Die Kapazität in der Rückkopplung kann man nicht ganz vermeiden, und sei es auch nur eine Prasitäre. Man kann aber den Widerstand größer (und damit weniger Stromrauschen) wählen, wenn man keine Rücksicht auf die Grenzfrequenz nehmen muss. Wenn man die Schwankungen des Lasers und das Schrotrauschen unterdrücken will, läuft das so weit ich weiß sowieso auf eine Kompensation des Stromes mit einer 2. Fotodiode hinaus. Aber man gewinnt natürlich nichts, wenn man dann statt des Schrotrauschens des Lasers das entsprechende gleich große Rauschen aus der Rückkopplung hat - da ist dann der Widerstand in der Regel besser. Mit 1 nA Strom käme man mit 100 M als Widerstand auf eine Spannung von 100 mV, liegt also mit den Rauschen durch den Widerstand unter dem Schrotrauschen einer inkohärenten Quelle. Von der Geschwindigkeit kommt man mit 100 M und 1 pF auf eine Grenzfrequenz von rund 1,5 kHz, liegt also nicht so viel unter der Signalfrequenz. Wie große der Kondensator sein sollte hängt natürlich vom Detektor und dem Verstärker ab. Im Prinzip könnte ein DSP Lockin auch richtig integrieren - 24 dB/oct spricht aber eher für einen klassischen Filter. Wenn man da beim Übergang zum nächsten Messwert länger als etwa 0,5 s warten muss, wäre noch etwas zu hohlen, denn die Wartezeit ließe sich fast ganz vermeiden mit einem FIR Filter (z.B. echtes Integral) statt einem klassischen IIR Filter. Das ist ggf. nur eine Frage der Einstellungen am Lockin oder ggf. des Programms am PC. Ich suche immernoch nach der Appnote, die Signal Gain und Noise Gain als funktion der Frequenz zeigt. Da war meiner Erinnerung nach nen Unterschied bei hohen Frequenzen. Kann aber auch sein, dass ich das falsch in Erinnerung hab. http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/624012fe.pdf Die Appnote hier zeigt nen anderen Weg. Erstmal mit der Verstaerkung hoch und dann einfach durch 10 Teilen (Siehe Fig 13). Der Weg ist clever, aber nicht ganz das, wonach ich gesucht hatte. Ulrich: Bei dem Lockin muss ich mal nachgucken, ob er auch integrieren kann. Im Moment warten wir 10s (Es dauert ~10 Zeitkonstanten bis Signal genug abgeklungen ist bei 1s TC/24dB rolloff). In der Beschriebung habe ich nichts gesehen, was darauf hindeutet dass man es einfach umstellen kann. Hast du analoge LockIns benutzt oder auch digitale? Wir haben SR 830 (und SR 844 fuer RF Sachen in anderen Projekten). >Ich suche immernoch nach der Appnote, die Signal Gain und Noise Gain als >funktion der Frequenz zeigt. Für den normalen TIA? Ist im Anhang schön erklärt. Ich habe bisher nur mit analogen Lockins gearbeitet. Entsprechend weiss ich nicht, was man bei den Digitalen Lockin so alles einstellen kann. Logisch wäre es aber wenn der Lockin auch richtig Intergrieren kann, oder statt dem klassischen Tiefpass auch einen FIR Filter unterstützt. Das würde einem den größten Teil der Wartezeit sparen. Es muss ja nicht sein das man per DSP genau die alten analoge Lösung nachmacht, mit allen schwären, wenn es auch besser geht. Logisch wäre es eigentlich wenn der DSP basierte das schon anbietet. Wenn der Lockin das nicht unterstützt, ginge es aber auch mit dem PC der die Daten aufnimmt: Statt dann 10 s zu warten und dann 1 s zu messen, könnte man 0,5 s warten (bei z.B. 100 ms Zeitkonstante) und dann vielleicht 2 s lang z.B. alle 50 ms einen Wert auslesen und dann den PC das Aufsummieren bzw. mitteln machen lassen. Das wird bereits weniger Rauschen geben als nur ein Wert mit 1 s Zeitkonstante auf den man 5-10 Sekunden warten muss. Das Rauschen kann man sich relativ gut in einer Simulation, mit einer Spice Version (z.B. LTSpice) anschauen. Interessant ist ggf. auch LT Design Note 399. Bitte melde dich an um einen Beitrag zu schreiben. Anmeldung ist kostenlos und dauert nur eine Minute.
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