Hallo, ich möchte den Strom einer Photodiode mit einem TIA verstärken. Das Signal gebe ich dann weiter über einen RC-Filter an weitere OP's (Bandpass + Verstärkung) ... Bandbreite: 500 Hz bis 5 kHz Es wird also der DC-Anteil im Signal gesperrt. Das ganze soll möglichst rauscharm sein. Ich habe hier im Forum gelesen, dass der Input Bias Current eine entscheidende Größe beim TIA ist. Je kleiner, desto besser.. Aber spielt das eine Rolle wenn der DC-Anteil sowieso wegfällt? Die Frage ist nun nach dem passenden TIA-OP. In der Schublade sind AD8597 und AD8665. Supply +/- 5V. Viele Grüße
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Stefan schrieb: > Aber spielt das eine Rolle wenn der DC-Anteil sowieso > wegfällt? Zumindest beim zweiten OPV wirst du die Biasströme mitmessen. Soll es auch der AD8665 werden? Der hat maximal 1 pA Biasstrom. Als Feedback sieht der 33 kΩ, das macht also am Ausgang eine Änderung von sage und schreibe 33 uV aus…stört dich das wirklich in deiner Anwendung? Kann ich kaum glauben.
Bei der eher niederohmigen Rückkopplung dürfte das Rauschen nicht so sehr vom OP bestimmt sein, sondern mehr vom 33 K Widerstand und vor allem dem unvermeidlichen Schrotrauschen der Photodiode. Der Bias Strom selber stört eher nicht, aber viel Bias kommt auch immer mit viel Stromrauschen, und das kann stören. Der AD8597 hat reichlich viel Stromrauschen und ist damit eher keine so gute Wahl. Der AD8665 hat relativ viel 1/f Rauschen und ist daher nicht unbedingt ideal, aber der RR Ausgang ist sehr hilfreich weil damit der Widerstand in der Rückkopplung relativ groß sein kann.
Lurchi schrieb: > Der AD8665 hat relativ viel 1/f Rauschen und ist daher nicht > unbedingt ideal Naja, im angestrebten Frequenzbereich hat der ~10 nV/SQRT(Hz). Das halte ich jetzt nicht wirklich für Ungünstig, man wird doch ein Nutzsignal von 1 V oder mehr anstreben wollen und nicht eines von 0.1 mV. Das SNR sollte hier doch locker auf 60 db zu bringen sein was in 99.99% aller Fälle mehr als ausreichend ist.
Ich verwende TIA Portal V13 SP1 Update6. Ab V13 SP1 kann man recht gut damit arbeiten.
Michael K. schrieb: > von sage und > schreibe 33 uV aus…stört dich das wirklich in deiner Anwendung? Kann ich erst sagen wenn ich die Testschaltung am Laufen habe. Ich erwarte kleinste Änderungen im Photostrom. Wie klein, kann ich noch nicht sagen. Lurchi schrieb: > Der AD8665 hat relativ viel 1/f Rauschen und ist daher nicht > unbedingt ideal, aber der RR Ausgang ist sehr hilfreich weil damit der > Widerstand in der Rückkopplung relativ groß sein kann. Ist das 1/f Rauschen noch relevant ab 500 Hz? Michael K. schrieb: > Das SNR > sollte hier doch locker auf 60 db zu bringen sein was in 99.99% aller > Fälle mehr als ausreichend ist. Sehe ich auch so.. Siemensianer schrieb: > Ich verwende TIA Portal V13 SP1 Update6. > Ab V13 SP1 kann man recht gut damit arbeiten. Das kann sein.. danke für den Hinweis ;-) Ist ja auch jetzt Wochenende :-) @all Danke! Grüße Stefan
Rechne doch mal durch, ob Du mit einer Stufe (1M/2+1.2pF in Serie) nicht auch klar kommst. Hängt aber von der Kapazität der Photodiode ab. Im Idealfall verringerrt das das Rauschen um den Faktor Wurzel(Nachverstärkung)
Stefan schrieb: > Kann ich erst sagen wenn ich die Testschaltung am Laufen habe. Ich > erwarte kleinste Änderungen im Photostrom. Wie klein, kann ich noch > nicht sagen. Das ist schlecht. Du solltest zumindest schon im Vorfeld wissen, welche Änderung noch relevant für dich ist. Du kennst ja die Empfindlichkeit deiner Photodiode und die Verstärkung kennst du auch. Damit kannst du doch ausrechnen wie groß eine Änderung sein muss, dass sie interessant für dich ist. Stefan schrieb: > Ist das 1/f Rauschen noch relevant ab 500 Hz? Das kommt auf deine Anwendung an ob das noch relevant für dich ist. Das 1/f-Rauschen hast du von 0 Hz bis, theoretisch, unendlich, das ist also nicht irgendwann mal weg. Es ist nur irgendwann mal so gering, dass es vernachlässigbar ist. Bei jeder Anwendung sollte die Schaltung so dimensioniert sein dass das 1/f-Rauschen, dass es stets vernachlässigbar ist.
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Michael K. schrieb: > Du solltest zumindest schon im Vorfeld wissen, welche > Änderung noch relevant für dich ist. Ja. Du hast da sicher recht.. Ich möchte einen Fallrohr aufbauen. In diesem sind zwei Lichtschranken. Jede Lichtschranke besteht aus 3 LED (Anordnung 120°)und 3 Photodioden (Anordnung 120°). Wenn nun der Prüfling (z.B. Kugel mit 5mm Durchmesser) durch das Rohr fällt, sollen das die Lichtschranken detektieren. Rohrdurchmesser ist 15 cm. LED: SFH485P Photodiode: SFH203PFA Die Photodioden sind parallel geschaltet und negativ vorgespannt damit die Dioden-Kapazität etwas weniger wird. Wie soll ich das jetzt rechnen? Schau dir auch die Öffnungswinkel der Dioden dazu an! Kannst du mir mal Hilfe dazu geben? Ich hätte es jetzt einfach probiert :-)
Kräftige LEDs und Photodioden sollen schon ein recht kräftiges Signal geben. Rauschen der OPs ist da eher nicht so das Problem - In der gzeigten Schaltung rauscht der Widerstand wohl schon mehr als der OP. Wenn man von DC Licht mehr als etwa 50 mV am Widerstand hat, sollte das Schrotrauschen noch größer sein. Bei den kleinen Kugeln wird es aber ggf. schwer die Kugel wirklich zu detektieren, einfach weil die Kugel ggf. zwischen den Lichtschranken durch fliegt. Ohne weitere Spiegel / Optik erfasst so eine Lichtschranke nur einen eher kleinen Bereich.
Das ist eine interessante Anordnung. Eine LED hat, wenn ichs recht gesehen habe, 25 mW Nennleistung. Deine Photodiode zeigt eine spektrale Empfindlichkeit von 0.62 A/W auf. Nehmen wir mal an bei der Photodiode käme eine Leistungsänderung von 1 uW an dann würde die Diode eine Stromänderung von 620 uA generieren. An den 100 kΩ machen diese 620 uA mal so eben 6.2 mV Spannungänderung. Der zweite OPV verstärkt dieses Signal noch um den Faktor 10, am Ausgang hättest du also 62 mV. Ich denke der Fehler durch den Biasstrom von 33 uV ist hierbei nicht mehr relevant. Selbst wenn deine eingestrahlte Leistungsänderung nicht 1 uW sondern 0.01 uW ist hättest du am Ausgang dann immer noch 620 uV die den 33 uV gegenüber stehen, immerhin noch ein Faktor 10 dazwischen. Ausprobieren würde ich hier auch, denke aber mit dem schon gewählten AD8665 liegst du gar nicht so verkehrt, der wird wahrscheinlich bestens dafür geeignet sein.
Dein Filter ist theoretisch ein Bandpassfilter, praktisch ist er aber imperfekt, weil das Band sehr eng ist. So verschenkst Du unnötig viel (1 dB) vom gerade mit Mühe und TIA gewonennen Nutz-Signal. Eine Ordnung mehr würde viel helfen. Alternativ kann man auch das Band breiter machen. TIA kann man theoretisch mit jedem OPV machen, praktisch braucht er einen hohen Eingangswiderstand. Ob die gewählten OPV reichen hängt ganz individuell von der Anwendung ab und können wir mangels deren Kenntnis auch nicht beurteilen. [Ja Photodiode, schön, aber welche, was wird eingespeist, wie viel Pegel braucht die nachfolgende Schaltung ist uns unbekannt.]
Lurchi schrieb: > Bei den kleinen Kugeln wird es aber ggf. schwer die Kugel wirklich zu > detektieren, einfach weil die Kugel ggf. zwischen den Lichtschranken > durch fliegt. Ohne weitere Spiegel / Optik erfasst so eine Lichtschranke > nur einen eher kleinen Bereich. Ich glaube das ich den o.g. Lichtschrankenaufbau in dem Fallrohr nochmal genauer erklären muss: Es werden zwei unabhängige Lichtschranken in einem Rohr untergebracht um die Anwesendheit und ggf. Geschwindigkeit zu detektieren. Es fällt ein Körper durch das Rohr und rauscht durch die 1. LS, dann ca. 0,3 m später durch die 2. LS. In EINER LS stehen sich um 120° versetzte LED gegenüber und DAZWISCHEN um 120° versetzte Photodioden. Also alle 60° befindet sich bei Rohrlänge 0m im Wechsel eine LED und dann eine Photodiode. Und deswegen wird die Kugel immer erfasst.. egal wie sie durch das Rohr fällt.. Bei Rohrlänge 0,3m ist das ganze Spiel dann ein 2. Mal aufgebaut.. Michael K. schrieb: > Ausprobieren würde ich hier auch, denke aber mit dem schon gewählten > AD8665 liegst du gar nicht so verkehrt, der wird wahrscheinlich bestens > dafür geeignet sein. I hope so.. Deswegen meine Eingangsfrage.. Aber wie du siehst: Ganz so trivial mit der Berechnung ist das nicht. Normalerweise bin ich auch erst für Rechnen und dann fürs Bauen :-) Danke für deine Ansätze. Frank schrieb: > Dein Filter ist theoretisch ein Bandpassfilter, praktisch ist er aber > imperfekt, weil das Band sehr eng ist. So solls sein.. Frank schrieb: > Du unnötig viel (1 > dB) vom gerade mit Mühe und TIA gewonennen Nutz-Signal. Welches genau in dem Frequenzband vom BP liegt und sommit doch optimal ist!? Frank schrieb: > können wir mangels deren Kenntnis > auch nicht beurteilen. [Ja Photodiode, schön, aber welche, was wird > eingespeist, wie viel Pegel braucht die nachfolgende Schaltung ist uns > unbekannt.] siehe: Eingangsfrage und Post 26.02.2016 13:02 Das Signal geht dann weiter durch einen Komparator, Schmitt-Trigger und später in den Timereingang von nem einem µC... Da greife ich auf bewährte Schaltungen zurück.. Das läuft alles gut. Mir gings aber nur um die Eingangsfrage.. Welcher ist besser? Die Ansätze zum Berechnen könnte man noch weiter diskutieren.. Da es wirklich für eine Grobe Abschätzung interessant wäre.. Ich weiß z.Z. eben nicht wie viel SNR ich habe.. Siehe Berechnungsversuche oben.. Thx @ all
Stefan schrieb: > Ich weiß z.Z. eben nicht wie viel SNR ich habe.. Siehe > Berechnungsversuche oben.. Hm, je nach Größe der Kugeln denke ich schon, dass du deutlich mehr haben wirst als nur 10 nW Leistungsänderung und wie ich oben gezeigt habe solltest du 10 nW Leistungsänderung noch locker feststellen können, da hättest du dann noch einen SNR von > 20 db. Ich denke du willst die Geschwindigkeit der Kugeln messen, oder? Dann reichen auch locker 10 db.
Die Lichtschranken bilden also eine Art Stern, mit 3 Strahlen, so dass man alle 60 Grad einen hat. jede einzelne Lichtschranke dürfte auch nur für einen maximal 10 mm (5 mm Kugel + max. 5 mm empfindlicher Lichtstrahl) Streifen empfindlich sein. Was weiter außen ist wird nicht erfasst. Das funktioniert damit nur im Zentrum mit etwa 20 mm Durchmesser zuverlässig, weiter außen kann die Kugel auch durchkommen, ohne das eine der Lichtschranken was mitbekommt - zumindest nicht in direkten Strahl. Da hätte man dann nur ggf. ein schwaches Signal über Reflexionen an den Wänden. Man müsste da ggf. überlegen mehr LEDs zu nutzen, was aber auch die relative Signalstärke reduzieren wird. Wenn es sein muss ggf. auch getrennte Auswertung der Empfänger - damit wäre eine höhere Empfindlichkeit möglich. Der AD8665 ist schon eindeutig die bessere Wahl der beiden - begrenzend werden die OPs so oder so nicht sein, eher schon die Stromversorgung der LEDs und das Schrotrauschen vom Licht. Das Signal hängt ja vor allem davon ab wo die Kugel den Strahl trifft - zum Rand wird das Signal schwächer und in der Mitte hätte man praktisch 100 % Abschattung für den einen Strahl, also ein riesiges Signal. Irgendwo gestreift reicht es dann aber nicht mehr - das ist dann aber auch nur eine Frage ob man 8 oder 9 mm Breite feststellen kann. Sinnvoller wäre da eher eine bessere Optik.
Stefan schrieb: > Ich habe hier im Forum gelesen, dass der Input Bias Current > eine entscheidende Größe beim TIA ist. Bei DC. Bei AC-Kopplung mußt Du nur aufpassen, daß der DC-Anteil (auch das Gleichlicht) den OPV nicht in die Sättigung treibt. Michael K. schrieb: > Zumindest beim zweiten OPV wirst du die Biasströme mitmessen. Kann doch auch AC auskoppeln. Stefan schrieb: > Wenn nun der Prüfling (z.B. Kugel mit 5mm Durchmesser) durch das > Rohr fällt, sollen das die Lichtschranken detektieren. Metallkugel? Nix Lichtschranke, Spule drumwickeln und Verstimmung des Schwingkreises erkennen.
Lurchi schrieb: > Die Lichtschranken bilden also eine Art Stern, mit 3 Strahlen, so dass > man alle 60 Grad einen hat. EINE LS besteht aus 3 "Strahlen" alle 120 Grad. Also ein "Stern" mit drei Zacken :-) Ich glaube ich muss doch nochmal eine Zeichnung hochladen ;-) Der Voll-Kreis hat doch noch 360° oder nicht ;-) Lurchi schrieb: > jede einzelne Lichtschranke dürfte auch nur > für einen maximal 10 mm (5 mm Kugel + max. 5 mm empfindlicher > Lichtstrahl) Streifen empfindlich sein. Was weiter außen ist wird nicht > erfasst. Stell dir mal die LEDs und die Photodioden mit großem (z.B. 80°) Öffnungswinkel vor. Ich denke, so wird so ziemlich alles erfasst was da durchfällt, nicht? Und die Dioden (TX und RX) sind symetrisch Kreisförmig angeordnet mit Blickrichtung nach RohrRADIUS 0. Lurchi schrieb: > Das Signal hängt ja vor allem davon ab wo die Kugel den Strahl trifft - > zum Rand wird das Signal schwächer und in der Mitte hätte man praktisch > 100 % Abschattung für den einen Strahl, also ein riesiges Signal. Es gibt keine "Strahlen" eher eine Lichtkeule.. Und die 3 Photodioden werden natürlich zusammen parallel betrieben.. Und somit gibt es immer eine Signal-Summe aus allen RX-Dioden. Wenn eine Diode nicht so viel abgeschattet wird: die anderen um so mehr.. usw... usw. DESWEGEN ist ja auch die Berechnung zu der Eingangsfrage schwierig.. und deshalb frage ich mehr oder weniger nach dem besten OP für diese Aufgabe.. Lurchi schrieb: > Sinnvoller wäre da eher eine bessere Optik. Es gibt keine Optik.. wie soll die auch aussehen? Angeordnet in einem Rohr?? Timm T. schrieb: > Bei DC. Bei AC-Kopplung mußt Du nur aufpassen, daß der DC-Anteil (auch > das Gleichlicht) den OPV nicht in die Sättigung treibt. Oki.. Timm T. schrieb: > Metallkugel? Nix Lichtschranke, Spule drumwickeln und Verstimmung des > Schwingkreises erkennen. Auch gut! Aber es wird die optische Lösung gesucht ;-) Schönen Sonntag
Stefan schrieb: > Es gibt keine Optik.. wie soll die auch aussehen? Diodenlaser, Linienoptik (gibts im Baumarkt), Einkopplung über Fischauge (Türspion) erzeugt eine waagerechte Linie. Auskopplung über Fischauge (Türspion), Schlitzblende (2 Rasierklingen), Detektion über Liniendiode*, Diodenzeile**) oder CCD-Zeile. Alternativ Photodiode oberhalb von Laserlinie, schräg nach unten schauend, detektiert Streulicht des durchgehenden Objektes. *)http://www.hamamatsu.com/us/en/product/category/3100/4001/4103/S3588-08/index.html **)http://www.hamamatsu.com/us/en/product/category/3100/4001/4204/4105/S4111-16R/index.html Und natürlich bei mehreren Dioden diese nicht einfach parallelschalten, sondern einzeln auswerten und die detektierten Peaks zusammenführen, weil: - deutlich höhere Empfindlichkeit - deutlich schneller, da große Diodenfläche = große Kapazität = langsam
Auch wenn die LEDs / Phototransistoren einen großen Öffnungswinkel haben, kommt vor allem das direkte Licht am Empfänger an. Die LEDs haben irgendwas um 25 Grad - da geht dann zwar einiges an Licht daneben und wird von den Wänden gestreut. Davon kommt dann ggf. auch ein kleiner Teil irgendwann an den Empfängern an, aber nicht viel, und vor allem auch aus einer falschen Höhe und mit nur geringer Abschattung durch die Kugel. Auch der Empfänger ist relativ gerichtet, so dass die Bereiche um die beiden anderen Empfänger (da wo die anderen LEDs hin strahlen) eher nicht mehr im empfindlichen Bereich landen. Um also das nicht direkte Licht zu empfangen werden in der Regel schon 2 Streuungen nötig sein. Der Teil des Signals ist damit nicht mehr gut geeignet die Kugel zu detektieren. Um auf eine Art Netz zu kommen, wo jeder Empfänger mehrere LEDs sieht, müsste man die LEDs / Empfänger eher anders anordnen: etwa gegenüber, mit etwa 5 Empfängern an der einen Seite und ähnlich vielen LEDs gegenüber. Auch da bleiben dann am Rand ggf. noch ein paar Schlupflöcher. Eine ganz andere Möglichkeit wäre die Messung im Dunkelfeld, also so dass nicht das direkte Licht gemessen wird, sondern die Streuung an der Kugel. Die Empfänger sehen also ohne Kugel idealerweise kein Licht, und erst die Kugel gibt dann ein Signal. Das gibt dann weniger Signal, aber je nach Aufbau auch weniger Hintergrund.
Hallo, bei einer Rückkopplung mit 100k bewegst du dich ein paar Größenordnungen unterhalb der typischen Anwendungen von wirklich empfindlichen Sensorschaltungen. Da wird fast jeder OPV für taugen. Bezüglich Rauschen ist es auch eher besser, in der ersten Verstärkerstufe möglichst hohe Verstärkung zu schaffen, stAtt in den nachfolgenden Stufen. Auch da hättest du noch Verbesserungspotential. Aber in deiner Anwendung wirst du eh kein Problem mit Rauschen haben. Was den Aufbau mit den 2 Lichtschranken angeht, so würde ich anders und einfacher aufbauen. Als Sender reicht eine LED, deren Licht auf den Rohrdurchmesser aufgefächert wird. Um eine gut definierte Empfangsebene zu erhalten, sollte eine Schlitzblende benutzt werden. Vor der Fotodiode kann eine Sammelinse gesetzt werden, die ebenfalls die Breite des Rohres auf die Fotodiode abbildet. Jeder Körper, der da durch fällt, erzeugt je nach Größe einen Impuls, der rel. leicht auszuwerten sein sollte. Um noch eine größere Empfindlichekit dieser Impulse gegenüber dem Gleichlicht der Sende-LED zu erreichen, kann man auch diese Modifikation einers Transimpedanzverst. nutzen. http://uwiatwerweisswas.schmusekaters.net/Uwi/ELEKTRONIK/Opto_Laser/Fotoverst%e4rker.PDF Gruß Öletronika
Timm T. schrieb: > Stefan schrieb: >> Es gibt keine Optik.. wie soll die auch aussehen? > > Diodenlaser, Linienoptik (gibts im Baumarkt), Einkopplung über Fischauge > (Türspion) erzeugt eine waagerechte Linie. ja ok. was es gibt ist schon klar. war eher auf die praktische unterbringung in dem rohr bezogen. die bauteile in deinen links sind mir allerdings neu! interessant. Timm T. schrieb: > weil: > - deutlich höhere Empfindlichkeit > - deutlich schneller, da große Diodenfläche = große Kapazität = langsam 1. ja. aber ich sehe mir auch nur den ac-teil an. sollte dann keine nachteile in der empfindlichkeit geben. hab ich nen denkfehler? 2. richtig. durchs negative vorspannen habe ich jedoch die gleiche cap. wie eine einzelne diode. sollte reichen. ich schae mir ja keine mhz an ;-) Lurchi schrieb: > eher anders anordnen: etwa gegenüber, > mit etwa 5 Empfängern an der einen Seite und ähnlich vielen LEDs > gegenüber. muss ich segen wie es im testaufbau läuft. vielleicht komme ich darauf zurück. danke. Lurchi schrieb: > Eine ganz andere Möglichkeit wäre die Messung im Dunkelfeld, also so > dass nicht das direkte Licht gemessen wird, sondern die Streuung an der > Kugel. puhh :-) auch nicht schlecht. bleibt im kopf. U. M. schrieb: > bei einer Rückkopplung mit 100k bewegst du dich ein paar Größenordnungen > unterhalb der typischen Anwendungen von wirklich empfindlichen > Sensorschaltungen. Da wird fast jeder OPV für taugen. wird evtl. noch mehr werden.
Stefan schrieb: > Frank schrieb: >> Dein Filter ist theoretisch ein Bandpassfilter, praktisch ist er aber >> imperfekt, weil das Band sehr eng ist. > So solls sein.. Das er Dein Nutzsignal wegfiltert? Weil der Tiefpass zu hoch und der Hochpass zu tief ist, wird alles gefiltert, das meine ich damit, daß das Band zu eng ist. > Frank schrieb: >> Du unnötig viel (1 >> dB) vom gerade mit Mühe und TIA gewonennen Nutz-Signal. > Welches genau in dem Frequenzband vom BP liegt und sommit doch optimal > ist!? Das Nutzsignal wegzufiltern ist nicht optimal (s.o.). > Mir gings aber nur um die Eingangsfrage.. Welcher ist besser? Die > Ansätze zum Berechnen könnte man noch weiter diskutieren.. Da es > wirklich für eine Grobe Abschätzung interessant wäre.. Wie gesagt, je mehr Eingangswiderstand umso besser. Also der von den beiden ist besser, der mehr Eingangswiderstand hat.
Frank schrieb: > Das er Dein Nutzsignal wegfiltert? Weil der Tiefpass zu hoch und der > Hochpass zu tief ist, wird alles gefiltert, das meine ich damit, daß das > Band zu eng ist. ok. Wie weit legt man die Grenzen auseinaner? Ich dachte hierfür gibt es die -3dB Marke..und berechnet sich dann die benötigte Filterbreite.. Oder noch den Faktor 2 drauf?? Confused..
Lurchi schrieb: > Eine ganz andere Möglichkeit wäre die Messung im Dunkelfeld, also so > dass nicht das direkte Licht gemessen wird, sondern die Streuung an der > Kugel. > Die Empfänger sehen also ohne Kugel idealerweise kein Licht, und erst > die Kugel gibt dann ein Signal. Das gibt dann weniger Signal, aber je > nach Aufbau auch weniger Hintergrund. Ich mache jetzt mal hiermit weiter.. Vortest mit einem Lichtvorhang mittels Laser ergab, dass der Laserstrahl (Laserppinter) nur ca. 10-15x von den Spiegel reflektiert wird, bevor er an Intensität bei 0 ist... Also gehe ich jetzt auf die Möglichkeit der Reflexion der Kugel ein. Grüße
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