Oszillation in breitbandiger Verstärkerschaltung

[Niklas S. (etuel)]

Guten Tag.

Ich hab die im Anhang zu sehende Verstärkerschaltung für eine Photodiode 
entwickelt. Diese soll möglichst rauscharm und breitbandig (0 - ~120 
MHz) das Eingangssignal an der Photodiode verstärken. Die vorliegende 
Schaltung verstärkt auch ein angelegtes Signal, allerdings ist bei ~ 2 
GHz auf dem Spectrum Analyzer eine Schwingung mit einer Leistung von 0 
dBm erkennbar die nicht da sein sollte.

Bei der Fehlersuche bin ich mittlerweile häufig darauf gestoßen, dass 
die dritte Transistorstufe bei mir, die Basisschaltung (roter Rahmen), 
häufig in Oszillatorschaltungen eingesetzt wird. Ich habe außerdem 
einmal nur die beiden letzten Transistorstufen mit Spannung versorgt und 
festgestellt, dass dies ausreicht die Schwingung am Ausgang zu bekommen. 
Als Bild habe ich außerdem noch das Layout der Basisschaltung mit 
angeschlossenen Komponenten angehangen.

Meine Frage wäre: Ist es realistisch, dass die Basisschaltung für die 
Schwingung verantwortlich ist und wenn ja: Warum in diesem Fall und wie 
kann ich das verhindern?

Vielen Dank schon mal, ich bin für jeden Hinweis oder Tipp dankbar.

[B e r n d W. (smiley46)]

Hallo Niklas

Auffällig ist der 150nF Kondensator C8. Die Schaltung könnte auf seiner 
Serienresonanz schwingen. Dazu gibt es zwei Möglichkeiten:

- Die Basisschaltung schwingt in der Simulation mit dem 150nF gegen GND.
- Der Buffer am Ausgang verhält sich wie ein Clapp-Oszillator.

Bei beiden spielt der C8 eine entscheidende Rolle, falls man seine 
parasitäre Induktivität und die Induktivität der Leiterbahn mit 
betrachtet. Schalte mal Versuchsweise einen weiteren 100pF Kondensator 
parallel.

Gruß, Bernd

[ArnoR (Gast)]

Niklas S. schrieb:
> Diese soll möglichst rauscharm und breitbandig (0 - ~120
> MHz) das Eingangssignal an der Photodiode verstärken.

Ach ja? Wie sollen denn 0Hz durch C9, C6, C8 und C11 kommen?
Die Dimensionierung des ersten Emitterfolgers (Bezeichnung nicht lesbar) 
stimmt wohl nicht (R12/R15~1000, der BFR93a verstärkt nur 90-fach, R7 
nicht lesbar).
Die Verstärkung der Basisschaltung geht von ganz klein bei niedrigen 
Frequenzen (R14=18k, Teilung mit R8 und dem Diffusionswiderstand) zu 
viel größer bei hohen Frequenzen (C4=12p, Teilung mit R8...). So geht 
kein glatter Frequenzgang.

Nimms mir nicht übel, aber das ist insgesamt eine Sch...schaltung, 
zusammengepfriemelt aus lauter unangepassten Einzelschaltungen. Die wird 
nie wie gewünscht funktionieren. Kauf dir bei Thorlabs ein PDA10A und 
bau deine PD ein.

[Mast (Gast)]

Beachten Sie bitte daß die Emitterfolgerschaltungen sehr leicht 
schwingen kann. Solche Schaltungen bilden einen Colpitts-Oszillator met 
der internen BE-Kapazität und mit den Streukapazitäten der nachfolgenden 
Schaltungen.

[Niklas S. (etuel)]

Danke Bernd und Mast für die Hinweise. Ich hab mittlerweile auch im 
Tietze/Schenk den Hinweis zum Schwingen von Basisschaltungen gefunden. 
Da werde ich jetzt mal einen entsprechenden Widerstand einsetzen um die 
Güte des Schwingkreises zu senken.

[W.S. (Gast)]

Mal ne ganz einfache Frage dazu:

Warum baust du das Ganze denn bloß so diskret auf? Es gibt heutzutage 
sehr gute OpV's für solche Einsatzzwecke.

W.S.

[Rob C. (rob_chelby)]

Die BFR sind aufgrund der hohen Transitfrequenzen eigentlich typisch für 
dieses Problem. Die Oszillationen am oberen Bandende würde ich hier mit 
Spannungsgegenkopplung bei den kritischen Frequenzen versuchen zu 
vermindern. Die Typen sind für nichts gut außer für ihren dezidierten 
Zweck (Verstärker für angepasste Quellen und Lasten). Ich würd immer 
zuerst versuchen, notwendige Verstärkung zu sparen und andere Typen zu 
nehmen. Warum gehts eigentlich so hochohmig auf die Basisschaltung? 
Ansonsten war das hier der richtige Hinweis

> Beachten Sie bitte daß die Emitterfolgerschaltungen sehr leicht
> schwingen kann. Solche Schaltungen bilden einen Colpitts-Oszillator met
> der internen BE-Kapazität und mit den Streukapazitäten der nachfolgenden
> Schaltungen.

Verzeihung für das Vollzitat, trifft hier jedoch ins schwarze. Ein guter 
Hinweis war auch noch

> Nimms mir nicht übel, aber das ist insgesamt eine Sch...schaltung,
> zusammengepfriemelt aus lauter unangepassten Einzelschaltungen.

Ich empfehle eine vernünftige Überarbeitung des Designs (was auch eine 
Stufe sparen wird) oder wie vom Vorredner genannt auf OPV ausweichen.

[Niklas S. (etuel)]

W.S. schrieb:
> Mal ne ganz einfache Frage dazu:
>
> Warum baust du das Ganze denn bloß so diskret auf? Es gibt heutzutage
> sehr gute OpV's für solche Einsatzzwecke.
>
> W.S.

Wir wollen eine möglichst rauscharme Verstärkerschaltung und das geht am 
besten mit einem FET mit einer hohen Eingangsimpedanz ohne Feedback, da 
dadurch nochmal die eingangsseitige Rauschstromleistungsdichte sich 
erhöhen würde.

@Rob Chelby:
Das Problem mit der Oszillation habe ich durch einen 33 Ohm Widerstand 
am Basiseingang gelöst. Die hohe Eingangsimpedanz kommt durch das 
integrierende Verhalten am Eingang der Schaltung (Junction-Kapazität PD, 
FET Eingangskapazität) was durch die Parallelschaltung von 
Kapazität/Widerstand mit dem differenzierenden Verhalten equalisiert 
wird.

Was die einzelnen Transistoren mit den Arbeitspunkten angeht gebe ich 
meinen Vorrednern recht. Hier war die Berechnung zu willkürlich und das 
habe ich entsprechend jetzt überarbeitet.