(zu alt für eine Antwort)
Stromverstärker -- Transimpedanzverstärker
Nikola Heimpel
2004-01-29 09:05:00 UTC
Hallo,
ich habe eine grundlegende Verständnisfrage:
Bisher ging ich davon aus, dass Stromverstärker und
Transimpedanzverstärker nicht das gleiche sind. Andererseits habe ich
die Begriffe auch schon gleichwertig verwendet gesehen (z.B. bei
http://www.femto.de/german/news/news11.html)
Nun bin ich also verwirrt.
Sind Stromverstärker und Transimpedanzverstärker ein und das selbe?
Ist der eine die Verallgemeinerung des anderen oder so was?
Transimpedanzverstärker = Strom-Spannungs-Wandler, oder nicht?
Falls Stromverstärker und Transimpedanzverstärker nicht dasselbe sind:
für welchen Fall genau wird was benutzt?

Speziell geht es um die Verstärkung eines Photodiodensignals. Relativ
hohe DC-Licht-level, darauf kleine und sehr schnelle Änderungen.

Wäre toll, wenn mir da jemand weiterhelfen könnte. Ich studiere Physik,
über Elektronik weiss ich nur aus unserem Elektronikpraktikum und aus
längerer Lektüre zu Photodiodenschaltungen jetzt. Bin aber eben
inzwischen trotzdem verwirrt.

Danke,
Nikola
MaWin
2004-01-29 09:54:05 UTC
Post by Nikola Heimpel
Hallo,
Bisher ging ich davon aus, dass Stromverstärker und
Transimpedanzverstärker nicht das gleiche sind.
Stromverstaerker: 1uA rein, 1mA raus (oder so, also Strom->Strom,
obwohl viele Randbedingungen zu stellen sind damit das funktioniert,
daher gibt es die in der Reinform kaum.

Transimpedanzverstaerker: 1uA rein, 1V raus (also Strom rein, Spannung
raus, obwohl man mit einem Widerstand am Ausgang natuerlich sofort die
Spannung in einen definierten Strom wandeln kann.)

Bei beiden ist der Eingang niederohmig (idealerweise 0 Ohm), wobei beim
Transimpedanzverstaerker nur dann Strom in den Eingang fliesst, wenn
die Spannung am Eingang eine andere ist, als die am Feedback-Eingang
(der uebrigens hochohmig ist) schau dir mal das Datenblatt des OPA660
von www.ti.com an.

Dann gibt es noch current feedback Verstaerker, bei denen der Strom
in den Eingang mit einem Strom ueber Feedback kompensiert wird, siehe
Datenbatt des OPA623.

Bei deiner Photodiode trennst du wohl am besten den DC-Anteil per
Koppelkondensator, und sorgst dann fuer einen Pfad niedriger (Stoer-/
Streu-)KAPAZITAET um die micro Leistung der kleinen Peaks optimal zu
verstaerken.
--
Manfred Winterhoff, reply-to invalid, use mawin at despammed.com
homepage: http://www.geocities.com/mwinterhoff/
de.sci.electronics FAQ: http://dse-faq.elektronik-kompendium.de/
Read 'Art of Electronics' Horowitz/Hill before you ask.
Lese 'Hohe Schule der Elektronik 1+2' bevor du fragst.
Rafael Deliano
2004-01-29 11:41:25 UTC
Post by Nikola Heimpel
Speziell geht es um die Verstärkung eines Photodiodensignals. Relativ
hohe DC-Licht-level, darauf kleine und sehr schnelle Änderungen.
Man kann den I/U-Wandler durch einen Integratorservo der den DC-Anteil
kompensiert ergänzen:

Photodiode
GND----AK---+----------R1----+
| |
+-------| - \ |
| | >--+---------------+---
| GND-| + / |
R2 +---R4----+---R5--+
| | |
| | / - |-+ R4 = R5
+-----C1--+-R3-+-< |
| | \ + |- GND
| / - |-+
+-< |
\ + |- GND


Der Widerstand R2 sollte sehr hochohmig sein, sonst bedämpft er auch das
AC-Signal. Man kann ihn durch eine spannungsgesteuerte Stromquelle
ersetzen.
Ob die Schaltung überhaupt zu dem Problem paßt, ist eine andere Frage.
Die von MaWin genannt Schaltung wäre ca.:

--- Vcc
|
K
A
|
+---C1--- Spannungsverstärker
|
R1
|
GND

Vcc ist etwa 20V um die Kapazität der Diode zu vermindern ( kann man
auch beim
U/I-Wandler machen ) . R1 ist typisch niederohmig wegen Rauschen und
Geschwindigkeit.
Damit ist das AC-Signal aber auch klein.
Die Schaltung findet sich typisch für Empfänger von Glasfaserkabeln.
Da hat man aber normalerweise nicht hohen DC-Anteil.
R1 kann ein LC-Schwingkreis sein, wenn das AC-Signal ein Sinus fester
Frequenz ist.

MfG JRD
Stefan Heinzmann
2004-01-29 12:09:29 UTC
Post by MaWin
Post by Nikola Heimpel
Hallo,
Bisher ging ich davon aus, dass Stromverstärker und
Transimpedanzverstärker nicht das gleiche sind.
Stromverstaerker: 1uA rein, 1mA raus (oder so, also Strom->Strom,
obwohl viele Randbedingungen zu stellen sind damit das funktioniert,
daher gibt es die in der Reinform kaum.
Transimpedanzverstaerker: 1uA rein, 1V raus (also Strom rein, Spannung
raus, obwohl man mit einem Widerstand am Ausgang natuerlich sofort die
Spannung in einen definierten Strom wandeln kann.)
Bei beiden ist der Eingang niederohmig (idealerweise 0 Ohm), wobei beim
Transimpedanzverstaerker nur dann Strom in den Eingang fliesst, wenn
die Spannung am Eingang eine andere ist, als die am Feedback-Eingang
(der uebrigens hochohmig ist) schau dir mal das Datenblatt des OPA660
von www.ti.com an.
Der OPA660 ist ein Transkonduktanzverstärker.
Post by MaWin
Dann gibt es noch current feedback Verstaerker, bei denen der Strom
in den Eingang mit einem Strom ueber Feedback kompensiert wird, siehe
Datenbatt des OPA623.
Was OpAmps angeht, war ich bisher immer der Meinung daß Current Feedback
Amplifier das gleiche wie Transimpedanzverstärker ist. Worin genau
besteht Deiner Ansicht der Unterschied?
Post by MaWin
Bei deiner Photodiode trennst du wohl am besten den DC-Anteil per
Koppelkondensator, und sorgst dann fuer einen Pfad niedriger (Stoer-/
Streu-)KAPAZITAET um die micro Leistung der kleinen Peaks optimal zu
verstaerken.
Für Photodiodenverstärker gibt's bei praktisch jedem Anbieter von CFAs
entsprechende AppNotes.
--
Cheers
Stefan
Nikola Heimpel
2004-01-29 13:06:15 UTC
Post by MaWin
Post by Nikola Heimpel
Hallo,
Bisher ging ich davon aus, dass Stromverstärker und
Transimpedanzverstärker nicht das gleiche sind.
Stromverstaerker: 1uA rein, 1mA raus (oder so, also Strom->Strom,
obwohl viele Randbedingungen zu stellen sind damit das funktioniert,
daher gibt es die in der Reinform kaum.
Transimpedanzverstaerker: 1uA rein, 1V raus (also Strom rein, Spannung
raus, obwohl man mit einem Widerstand am Ausgang natuerlich sofort die
Spannung in einen definierten Strom wandeln kann.)
Danke, so (ganz grob) hatte ich das bisher auch verstanden. Doch nicht
alles umsonst gelernt. Mich hat nur die genannte Website plötzlich
verunsichert. Die Dinger, die Femto verkauft, sind also im Prinzip
Transimpedanzverstärker?
Post by MaWin
Bei deiner Photodiode trennst du wohl am besten den DC-Anteil per
Koppelkondensator, und sorgst dann fuer einen Pfad niedriger (Stoer-/
Streu-)KAPAZITAET um die micro Leistung der kleinen Peaks optimal zu
verstaerken.
Kannst Du mir das mit dem Koppelkondensator genauer erklären? Wie kriege
ich dan den DC-Anteil weg? Mein kleines Signal, das ich messen will, ist
übrigens nicht sinusförmig oder sowas. Eher einzelne Pulse. Gilt das
dann immer noch?
Hm, ich denke, ich muss mal weiter ausholen:
ich versuche, auf einem konstanten Signal eines HeNe-Lasers eine kleine,
unregelmässige Änderung zu detektieren (Interferometer). Bei den letzten
Versuchen waren es vielleicht etwa 2% der Gesamtsignalhöhe. Leider ist
das ganze auch noch sehr schnell - bis zu 100 MHz brauchen wir. Und
einigermassen verstärkt werden sollen meine winzigen Signale ja auch
noch. Wenn ich nicht ganz falsch liege, sind die im mikroA-Bereich.
Ich habe dann erst mal mein Glück mit einem Stromverstärker (oder ist es
jetzt doch ein Transimpedanzverstärker?) von Femto versucht, ein
gekaufter Verstärker also. Leider habe ich da ein Gesamtsignal von etwa
1V oder mehr, mein eigentliches Signal kommt dann noch auf 20mV,
Rauschen war auch in dem Bereich von 20mV (kam mir sehr viel vor?).
Nächster Versuch war: selberbauen. In dem Zusammenhang habe ich bei "The
Art of Electronics" angefangen und mich dann durch massenweise AppNotes
der OpAmp-Hersteller gekämpft, vor allem bei Texas Instruments gab es
einiges. Und andere Artikel zu dem Thema. Auf dieser Basis habe ich dann
versucht, einen Transimpedanzverstärker zu bauen (mit dem OPA655). Mit
bootstrapping,.. was die halt so alles vorgeschlagen haben, um die SNR
zu verbessern. Unsere Photodiode hat schon sehr kleine Kapazitäten
(gegengespannt etwa 5-8 pF), Wege habe ich kurz gehalten, ... Schnell
genug *und* gleichzeitig hoch genug verstärkend habe ich das ganze aber
trotzdem nicht gekriegt. Meine Spice-Simulationen für meine Endschaltung
haben mir auch nur etwa 8 MHz Bandbreite bescheinigt (auch wenn ich
nicht weiss, wie gut das ganze stimmt). Und das Rauschen ist auch nicht
so ganz ohne, ausserdem hatte ich das Gefühl, dass bei zu hohen
DC-leveln das Ding teilweise in Sättigung gegangen ist.
Also, selbermachen hat nicht funktioniert - deshalb bin ich wieder beim
kaufen angelangt (glaube ich...). Und da hat mich eben verwirrt, dass
bei Femto anscheinend Stromverstärker mit Transimpedanzverstärkern
gleichgesetzt werden. Und ich weiss nicht genau, in welche Richtung ich
jetzt sinnvollerweise suchen soll für meine Zwecke, weil mir für die
einzelnen Spezifikationen in den Datenblättern dann teilweise doch
wieder das Verständnis fehlt.

So - vielleicht hat ja trotzdem noch jemand einen Tip... oder eine tolle
Schaltung.
Danke soweit aber schon mal.
Gruss,
Nikola
Nikola Heimpel
2004-01-29 13:08:42 UTC
Hallo Stefan,
Post by Stefan Heinzmann
Post by MaWin
Bei deiner Photodiode trennst du wohl am besten den DC-Anteil per
Koppelkondensator, und sorgst dann fuer einen Pfad niedriger (Stoer-/
Streu-)KAPAZITAET um die micro Leistung der kleinen Peaks optimal zu
verstaerken.
Für Photodiodenverstärker gibt's bei praktisch jedem Anbieter von CFAs
entsprechende AppNotes.
Ich habe gerade MaWin schon länglich geantwortet, also vielleicht auch
da nachlesen.. jedenfalls kenne ich diese vielen Appnotes, bzw.
zumindest einen guten Teil davon. Ich habe auch schon versucht, mit
deren Hilfe meinen Verstärker selbst zu bauen. Nur hat das leider nicht
ganz so funktioniert wie gewollt (100 MHz ist einfach verdammt schnell).

Danke,
Nikola
Nikola Heimpel
2004-01-29 13:13:40 UTC
Post by Rafael Deliano
Post by Nikola Heimpel
Speziell geht es um die Verstärkung eines Photodiodensignals.
Relativ hohe DC-Licht-level, darauf kleine und sehr schnelle
Änderungen.
Man kann den I/U-Wandler durch einen Integratorservo der den
[Schaltung]
Hmm... da setzt wieder mein Nichtwissen ein. Wie wird denn hier das
DC-Signal gedämpft? Und gilt das auch, wenn mein kleines AC-Signal nicht
periodisch ist, sondern eher unregelmässige, sehr schnelle (bis zu 100
MHz) "Pulse" hat? Die Schnelligkeit ist eines der grössten Probleme,
wenn nicht sogar das grösste.
Post by Rafael Deliano
Der Widerstand R2 sollte sehr hochohmig sein, sonst bedämpft er auch
das AC-Signal. Man kann ihn durch eine spannungsgesteuerte
Stromquelle ersetzen. Ob die Schaltung überhaupt zu dem Problem paßt,
[Schaltung]


:-/ ich glaub, das hab ich nicht verstanden. Gegengespannt habe ich
unsere Diode jedenfalls so oder so, hat dann noch 5-8 pF, je nach Spannung.
Post by Rafael Deliano
R1 kann ein LC-Schwingkreis sein, wenn das AC-Signal ein Sinus
fester Frequenz ist.
Ist es aber leider nicht.
Näheres vielleicht in meiner Antwort an MaWin, sonst poste ich alles
doppelt.
Danke soweit,
Nikola
Rafael Deliano
2004-01-29 13:38:46 UTC
Post by Stefan Heinzmann
Der OPA660 ist ein Transkonduktanzverstärker.
Der Begriff wird zwar für OTAs ( was wohl eine Variante U/I-Wandler
ist ) verwendet. Aber z.B. im National Semiconductor Application
Databook 1986 findet man im Index unter "Transconductance Amplifier"
Post by Stefan Heinzmann
Post by MaWin
Transimpedanzverstaerker: 1uA rein, 1V raus
Konduktanz/Leitfähigkeit ist ohnehin nur verdrehte Definition
von Impedanz/Widerstand.
Post by Stefan Heinzmann
Current Feedback Amplifier das gleiche wie Transimpedanzverstärker
Da wäre ich dann skeptisch.

MfG JRD
Stefan Heinzmann
2004-01-29 13:46:07 UTC
Nikola Heimpel schrieb:

[...]
Post by Nikola Heimpel
Danke, so (ganz grob) hatte ich das bisher auch verstanden. Doch nicht
alles umsonst gelernt. Mich hat nur die genannte Website plötzlich
verunsichert. Die Dinger, die Femto verkauft, sind also im Prinzip
Transimpedanzverstärker?
Ja. Ich vermute die Autoren bei Femto haben bei dem Wort Stromverstärker
nur an den Eingang gedacht.

[...]
Post by Nikola Heimpel
ich versuche, auf einem konstanten Signal eines HeNe-Lasers eine kleine,
unregelmässige Änderung zu detektieren (Interferometer). Bei den letzten
Versuchen waren es vielleicht etwa 2% der Gesamtsignalhöhe. Leider ist
das ganze auch noch sehr schnell - bis zu 100 MHz brauchen wir. Und
einigermassen verstärkt werden sollen meine winzigen Signale ja auch
noch. Wenn ich nicht ganz falsch liege, sind die im mikroA-Bereich.
Ich habe dann erst mal mein Glück mit einem Stromverstärker (oder ist es
jetzt doch ein Transimpedanzverstärker?) von Femto versucht, ein
gekaufter Verstärker also. Leider habe ich da ein Gesamtsignal von etwa
1V oder mehr, mein eigentliches Signal kommt dann noch auf 20mV,
Rauschen war auch in dem Bereich von 20mV (kam mir sehr viel vor?).
Nächster Versuch war: selberbauen. In dem Zusammenhang habe ich bei "The
Art of Electronics" angefangen und mich dann durch massenweise AppNotes
der OpAmp-Hersteller gekämpft, vor allem bei Texas Instruments gab es
einiges. Und andere Artikel zu dem Thema. Auf dieser Basis habe ich dann
versucht, einen Transimpedanzverstärker zu bauen (mit dem OPA655). Mit
bootstrapping,.. was die halt so alles vorgeschlagen haben, um die SNR
zu verbessern. Unsere Photodiode hat schon sehr kleine Kapazitäten
(gegengespannt etwa 5-8 pF), Wege habe ich kurz gehalten, ... Schnell
genug *und* gleichzeitig hoch genug verstärkend habe ich das ganze aber
trotzdem nicht gekriegt.
Kein Wunder. Der OPA655 ist ein Voltage Feedback Amplifier. Je höher die
Verstärkung desto niedriger die Bandbreite. Das ist normal. Daß Dir das
nicht beim Lesen des Datenblatts aufgefallen ist!? Schon auf der ersten
Seite prangt eine Photodiodenschaltung mit gerade mal 1MHz Bandbreite
(warum die das wohl Wideband nennen?).

Ich könnte mir denken daß Du nicht mit einer Verstärkerstufe auskommst
bei Deinem Problem. Du könntest z.B. versuchen, einen VFA mit einem CFA
zu kombinieren. Stichwort "Composite Amplifier". Vielleicht einen OPA655
gefolgt von einem OPA644? Keine Ahnung ob das die richtigen Werte
bringt, designen mußt Du schon selber.
Post by Nikola Heimpel
Meine Spice-Simulationen für meine Endschaltung
haben mir auch nur etwa 8 MHz Bandbreite bescheinigt (auch wenn ich
nicht weiss, wie gut das ganze stimmt). Und das Rauschen ist auch nicht
so ganz ohne, ausserdem hatte ich das Gefühl, dass bei zu hohen
DC-leveln das Ding teilweise in Sättigung gegangen ist.
Also, selbermachen hat nicht funktioniert - deshalb bin ich wieder beim
kaufen angelangt (glaube ich...). Und da hat mich eben verwirrt, dass
bei Femto anscheinend Stromverstärker mit Transimpedanzverstärkern
gleichgesetzt werden. Und ich weiss nicht genau, in welche Richtung ich
jetzt sinnvollerweise suchen soll für meine Zwecke, weil mir für die
einzelnen Spezifikationen in den Datenblättern dann teilweise doch
wieder das Verständnis fehlt.
So - vielleicht hat ja trotzdem noch jemand einen Tip... oder eine tolle
Schaltung.
Danke soweit aber schon mal.
Naja, bei 100MHz und sehr schwachen Signalen setzt eine Eigenentwicklung
schon gewisse Fähigkeiten voraus. Da bezweifle ich auch daß es mit einer
"tollen Schaltung" getan ist. Auch der Aufbau ist da ziemlich kritisch,
und den kann man nicht ohne weiteres mit SPICE simulieren.

Wenn der FEMTO-Verstärker weniger rauschen würde, dann würde ich einfach
sein Ausgangssignal weiter verstärken, nachdem das Nutzsignal geeignet
ausgefiltert wurde. Aber ich habe meine Zweifel ob Du was passendes
Fertiges finden kannst.
--
Cheers
Stefan
Stefan Heinzmann
2004-01-29 13:49:48 UTC
Rafael Deliano schrieb:

[...]
Post by Rafael Deliano
Post by Stefan Heinzmann
Current Feedback Amplifier das gleiche wie Transimpedanzverstärker
Da wäre ich dann skeptisch.
Ok, wie sind dann die beiden Dinger definiert? Jetzt bin ich neugierig.
--
Cheers
Stefan
Udo Piechottka
2004-01-29 13:56:55 UTC
Post by Rafael Deliano
Konduktanz/Leitfähigkeit ist ohnehin nur verdrehte Definition
von Impedanz/Widerstand.
Du meintest vermutlich Impedanz / Leitwert ?

Gruss Udo
Nikola Heimpel
2004-01-29 14:16:58 UTC
Hallo Stefan,
[..]
Post by Stefan Heinzmann
Auf dieser Basis habe ich dann versucht, einen
Transimpedanzverstärker zu bauen (mit dem OPA655). Mit
bootstrapping,.. was die halt so alles vorgeschlagen haben, um die
SNR zu verbessern. Unsere Photodiode hat schon sehr kleine
Kapazitäten (gegengespannt etwa 5-8 pF), Wege habe ich kurz
gehalten, ... Schnell genug *und* gleichzeitig hoch genug
verstärkend habe ich das ganze aber trotzdem nicht gekriegt.
Kein Wunder. Der OPA655 ist ein Voltage Feedback Amplifier. Je höher
die Verstärkung desto niedriger die Bandbreite. Das ist normal. Daß
Dir das nicht beim Lesen des Datenblatts aufgefallen ist!? Schon auf
der ersten Seite prangt eine Photodiodenschaltung mit gerade mal 1MHz
Bandbreite (warum die das wohl Wideband nennen?).
Hm. Naja. Sagen wir so, ich hatte damals erstens noch weniger Ahnung als
jetzt, und auch jetzt ist mir glaube ich nicht 100% klar, wo der
Unterschied zwischen Voltage feedback und current feedback liegt. Doch,
ich habe das Datenblatt gelesen. Der 655 kam damals aus einer
entsprechenden Anfrage/Diskussion in sci.electronics.design (erstes
Google-Groups-Ergebnis bei "photodiode amplifier", falls es jemanden
ganz genau interessiert). Und für mich hatte sich das relativ plausibel
angehört..
Post by Stefan Heinzmann
Ich könnte mir denken daß Du nicht mit einer Verstärkerstufe
auskommst bei Deinem Problem. Du könntest z.B. versuchen, einen VFA
mit einem CFA zu kombinieren. Stichwort "Composite Amplifier".
Vielleicht einen OPA655 gefolgt von einem OPA644? Keine Ahnung ob das
die richtigen Werte bringt, designen mußt Du schon selber.
Danke, werde zu dem Thema mal ein bisschen lesen und denken.

[..]
Post by Stefan Heinzmann
Naja, bei 100MHz und sehr schwachen Signalen setzt eine
Eigenentwicklung schon gewisse Fähigkeiten voraus. Da bezweifle ich
auch daß es mit einer "tollen Schaltung" getan ist. Auch der Aufbau
ist da ziemlich kritisch, und den kann man nicht ohne weiteres mit
SPICE simulieren.
Ja, ist mir klar. Ich habe das damals als Werkstudentin versucht,
inzwischen ist das Thema zu meiner Diplomarbeit geworden. Mir ist klar,
dass Eigenbau nicht sooo einfach geht, und ich zweifle ja auch
inzwischen, dass mir das gelingen kann. Aber aus Fehlern lernt man ja
schliesslich, und wenn man nur lernt, dass eine Sache komplizierter ist
als gedacht... zu SPICE: zu irgendeinem der Programme gab es ein
HighFrequency-Package, das ich damals angeschaut hatte. Mir ist klar,
dass ich da nicht alles drauf geben kann, aber für Anhaltspunkte hat es
mir schon mal geholfen, um sich gewisse Sachen klar zu machen (was
passiert, wenn..). Und ich habe sicher nicht erwartet, dass hier einer
meine Arbeit tut, mir eine "tolle Schaltung" vorlegt und dann alles
funktioniert. War vielleicht meinerseits etwas salopp formuliert - ich
habe eher nach Hinweisen gesucht, um als Laie nicht ganz in die falsche
Richtung zu laufen.
Post by Stefan Heinzmann
Wenn der FEMTO-Verstärker weniger rauschen würde, dann würde ich
einfach sein Ausgangssignal weiter verstärken, nachdem das Nutzsignal
geeignet ausgefiltert wurde. Aber ich habe meine Zweifel ob Du was
passendes Fertiges finden kannst.
Noch eine Frage dazu: wenn ich mein hohes cw-Signal irgendwie wegkriegen
würde, würde das auch einen positiven Einfluss auf das Rauschen haben?
Wäre das also ein sinnvolles Ziel? Für mich macht der Gedanke irgendwie
Sinn..

Ok - dann schaue ich einfach mal weiter. Ich habe auch schon versucht,
an die Elektroniker der anderen Lehrstühle zu kommen (wir haben leider
keinen), aber bisher ohne Erfolg. Ich werd schon noch was finden.

Danke,
Nikola
Bernd Mayer
2004-01-29 14:27:17 UTC
Post by Nikola Heimpel
Kannst Du mir das mit dem Koppelkondensator genauer erklären? Wie kriege
ich dan den DC-Anteil weg? Mein kleines Signal, das ich messen will, ist
übrigens nicht sinusförmig oder sowas. Eher einzelne Pulse. Gilt das
dann immer noch?
ich versuche, auf einem konstanten Signal eines HeNe-Lasers eine kleine,
unregelmässige Änderung zu detektieren (Interferometer). Bei den letzten
Versuchen waren es vielleicht etwa 2% der Gesamtsignalhöhe. Leider ist
das ganze auch noch sehr schnell - bis zu 100 MHz brauchen wir. Und
einigermassen verstärkt werden sollen meine winzigen Signale ja auch
noch. Wenn ich nicht ganz falsch liege, sind die im mikroA-Bereich.
Ich habe dann erst mal mein Glück mit einem Stromverstärker (oder ist es
jetzt doch ein Transimpedanzverstärker?) von Femto versucht, ein
gekaufter Verstärker also. Leider habe ich da ein Gesamtsignal von etwa
1V oder mehr, mein eigentliches Signal kommt dann noch auf 20mV,
Rauschen war auch in dem Bereich von 20mV (kam mir sehr viel vor?).
Nächster Versuch war: selberbauen. In dem Zusammenhang habe ich bei "The
Art of Electronics" angefangen und mich dann durch massenweise AppNotes
der OpAmp-Hersteller gekämpft, vor allem bei Texas Instruments gab es
einiges. Und andere Artikel zu dem Thema. Auf dieser Basis habe ich dann
versucht, einen Transimpedanzverstärker zu bauen (mit dem OPA655). Mit
bootstrapping,.. was die halt so alles vorgeschlagen haben, um die SNR
zu verbessern. Unsere Photodiode hat schon sehr kleine Kapazitäten
(gegengespannt etwa 5-8 pF), Wege habe ich kurz gehalten, ... Schnell
genug *und* gleichzeitig hoch genug verstärkend habe ich das ganze aber
trotzdem nicht gekriegt. Meine Spice-Simulationen für meine Endschaltung
haben mir auch nur etwa 8 MHz Bandbreite bescheinigt (auch wenn ich
nicht weiss, wie gut das ganze stimmt). Und das Rauschen ist auch nicht
so ganz ohne, ausserdem hatte ich das Gefühl, dass bei zu hohen
DC-leveln das Ding teilweise in Sättigung gegangen ist.
Also, selbermachen hat nicht funktioniert - deshalb bin ich wieder beim
kaufen angelangt (glaube ich...). Und da hat mich eben verwirrt, dass
bei Femto anscheinend Stromverstärker mit Transimpedanzverstärkern
gleichgesetzt werden. Und ich weiss nicht genau, in welche Richtung ich
jetzt sinnvollerweise suchen soll für meine Zwecke, weil mir für die
einzelnen Spezifikationen in den Datenblättern dann teilweise doch
wieder das Verständnis fehlt.
So - vielleicht hat ja trotzdem noch jemand einen Tip... oder eine tolle
Schaltung.
Hallo Nikola,

eine tolle Schaltung die auf magische Weise all Deine Probleme löst gibt
es nicht. Mit dem Kauf eines guten Verstärkers alleine ist es auch nicht
getan. Du arbeitest mit Deinen Anforderungen hart an der Grenze des
technisch Machbaren. Für eine Lösung sind daher nicht nur Grundlagen
sondern Detailkennnisse in Elektronik speziell Verstärker- oder
Opamptechnik notwendig, optimal ergänzt durch Erfahrung. Selbst damit
muss man mit einer längeren Entwicklungszeit rechnen.

HTH


Bernd Mayer
--
MR. MCBRIDE: "Yes, Your Honor. ... I want to walk the Court through
enough of our complaint to help the Court understand that IBM clearly
did contribute a lot of the Unix-related information into Linux.
We just don't know what it is." http://lwn.net/Articles/62817/
Nikola Heimpel
2004-01-29 14:56:50 UTC
Hallo Bernd,
Post by Bernd Mayer
eine tolle Schaltung die auf magische Weise all Deine Probleme löst gibt
es nicht.
Logisch, wie ich schon an Stefan schrieb, habe ich das auch nicht
ernsthaft erwartet.
Post by Bernd Mayer
Mit dem Kauf eines guten Verstärkers alleine ist es auch nicht
getan. Du arbeitest mit Deinen Anforderungen hart an der Grenze des
technisch Machbaren. Für eine Lösung sind daher nicht nur Grundlagen
sondern Detailkennnisse in Elektronik speziell Verstärker- oder
Opamptechnik notwendig, optimal ergänzt durch Erfahrung. Selbst damit
muss man mit einer längeren Entwicklungszeit rechnen.
Dass die Sache weder einfach noch schnell ist, habe ich inzwischen auch
halbwegs verstanden. Andererseits weiss ich von diversen
Forschungsgruppen (ja, ich habe mit denen geredet), die auch ohne diese
Detailkenntnisse in Elektronik genau das machen, was wir auch machen
(wollen), daher suche ich eben nach Lösungen... Und irgendeine halbgute
Lösung ist schon mal besser als gar keine. Ich muss ja kein Gerät zur
Serienreife entwickeln, sondern (erstmal) an den Grundlagen forschen -
die Elektronik ist "notwendiges Übel". Etwas improvisieren geht immer.
Vielleicht wird das Ding am Ende eben langsamer sein, als wir gern
hätten, vielleicht hat es andere Macken. Mal sehen.
Aber wir geben nicht so schnell auf ;-) Vielleicht finde ich ja doch
noch einen Elektroniker, der uns hilft. Ja, einen der sich mit sowas
beschäftigt.
Gruss,
Nikola
Stefan Heinzmann
2004-01-29 15:33:01 UTC
Nikola Heimpel schrieb:

[...]
Post by Nikola Heimpel
Post by Stefan Heinzmann
Auf dieser Basis habe ich dann versucht, einen
Transimpedanzverstärker zu bauen (mit dem OPA655). Mit
bootstrapping,.. was die halt so alles vorgeschlagen haben, um die
SNR zu verbessern. Unsere Photodiode hat schon sehr kleine
Kapazitäten (gegengespannt etwa 5-8 pF), Wege habe ich kurz
gehalten, ... Schnell genug *und* gleichzeitig hoch genug verstärkend
habe ich das ganze aber trotzdem nicht gekriegt.
Kein Wunder. Der OPA655 ist ein Voltage Feedback Amplifier. Je höher
die Verstärkung desto niedriger die Bandbreite. Das ist normal. Daß
Dir das nicht beim Lesen des Datenblatts aufgefallen ist!? Schon auf
der ersten Seite prangt eine Photodiodenschaltung mit gerade mal 1MHz
Bandbreite (warum die das wohl Wideband nennen?).
Hm. Naja. Sagen wir so, ich hatte damals erstens noch weniger Ahnung als
jetzt, und auch jetzt ist mir glaube ich nicht 100% klar, wo der
Unterschied zwischen Voltage feedback und current feedback liegt. Doch,
ich habe das Datenblatt gelesen. Der 655 kam damals aus einer
entsprechenden Anfrage/Diskussion in sci.electronics.design (erstes
Google-Groups-Ergebnis bei "photodiode amplifier", falls es jemanden
ganz genau interessiert). Und für mich hatte sich das relativ plausibel
angehört..
Hört sich so an als ob Du etwas Quellenstudium nötig hast ;-)

Zum Thema VFA/CFA gibt's ziemlich viele AppNotes von National, Maxim,
Analog Devices und Texas Instruments. Da würde ich auf alle Fälle mal
Stöbern.

Dann gibt's noch Gedrucktes. Gut ist z.B. das Handbuch "Op Amp
Applications" von Walt Jung (Analog Devices). Die schicken Dir das
vermutlich umsonst, wenn Du da anrufst.

Jerald Graeme hat über Photodioden-Verstärker ein Buch geschrieben,
kenne ich aber nicht selber. Graeme ist sonst aber ganz brauchbar. (Ich
habe gesehen, daß ein Hinweis darauf schon im von Dir erwähnten s.e.d
thread vorkommt. Vielleicht kennst Du das Buch ja schon.)

Dann wäre vielleicht noch etwas Ahnung von Rauschen (nicht Räuschen ;-))
hilfreich. Das Standardwerk ist da wohl Motchenbacher/Connelly "Low
Noise Electronic System Design".
Post by Nikola Heimpel
Post by Stefan Heinzmann
Ich könnte mir denken daß Du nicht mit einer Verstärkerstufe
auskommst bei Deinem Problem. Du könntest z.B. versuchen, einen VFA
mit einem CFA zu kombinieren. Stichwort "Composite Amplifier".
Vielleicht einen OPA655 gefolgt von einem OPA644? Keine Ahnung ob das
die richtigen Werte bringt, designen mußt Du schon selber.
Danke, werde zu dem Thema mal ein bisschen lesen und denken.
Gut daß Du ans Denken denkst, das vergessen manche ;-)
Post by Nikola Heimpel
[..]
Post by Stefan Heinzmann
Naja, bei 100MHz und sehr schwachen Signalen setzt eine
Eigenentwicklung schon gewisse Fähigkeiten voraus. Da bezweifle ich
auch daß es mit einer "tollen Schaltung" getan ist. Auch der Aufbau
ist da ziemlich kritisch, und den kann man nicht ohne weiteres mit
SPICE simulieren.
Ja, ist mir klar. Ich habe das damals als Werkstudentin versucht,
inzwischen ist das Thema zu meiner Diplomarbeit geworden. Mir ist klar,
dass Eigenbau nicht sooo einfach geht, und ich zweifle ja auch
inzwischen, dass mir das gelingen kann. Aber aus Fehlern lernt man ja
schliesslich, und wenn man nur lernt, dass eine Sache komplizierter ist
als gedacht...
Das ist eine gute Einstellung. Ich wollte Dich auch nicht abschrecken,
sondern nur einer gewissen Naivität vorbeugen. Das scheint bei Dir
überflüssig gewesen zu sein, sorry. Du kannst durchaus probieren, einen
passenden Verstärker zu entwickeln, solange Du genügend Zeit dafür
einplanst.
Post by Nikola Heimpel
zu SPICE: zu irgendeinem der Programme gab es ein
HighFrequency-Package, das ich damals angeschaut hatte. Mir ist klar,
dass ich da nicht alles drauf geben kann, aber für Anhaltspunkte hat es
mir schon mal geholfen, um sich gewisse Sachen klar zu machen (was
passiert, wenn..). Und ich habe sicher nicht erwartet, dass hier einer
meine Arbeit tut, mir eine "tolle Schaltung" vorlegt und dann alles
funktioniert. War vielleicht meinerseits etwas salopp formuliert - ich
habe eher nach Hinweisen gesucht, um als Laie nicht ganz in die falsche
Richtung zu laufen.
Na, ich hoffe die bisherigen Beiträge haben weitergeholfen.
Post by Nikola Heimpel
Post by Stefan Heinzmann
Wenn der FEMTO-Verstärker weniger rauschen würde, dann würde ich
einfach sein Ausgangssignal weiter verstärken, nachdem das Nutzsignal
geeignet ausgefiltert wurde. Aber ich habe meine Zweifel ob Du was
passendes Fertiges finden kannst.
Noch eine Frage dazu: wenn ich mein hohes cw-Signal irgendwie wegkriegen
würde, würde das auch einen positiven Einfluss auf das Rauschen haben?
Wäre das also ein sinnvolles Ziel? Für mich macht der Gedanke irgendwie
Sinn..
Rauschen kann man durch Bandbreitenbeschränkung verringern. Wenn dabei
dein CW-Signal auch weggefiltert wird, umso besser. Du solltest damit
anfangen, festzulegen, wie die Randbedingungen für Deinen Verstärker
aussehen sollen. Das sind z.B.: Untere und obere Grenzfrequenz,
Verstärkung, gewünschter Signal-Rauschabstand, erlaubte harmonische
Verzerrungen, Eingangsimpedanz, Ausgangsimpedanz, Offset. Keine
Phantasiewerte erfinden, sondern das Minimum hinschreiben, ohne das Du
den Verstärker nicht brauchen könntest.
Post by Nikola Heimpel
Ok - dann schaue ich einfach mal weiter. Ich habe auch schon versucht,
an die Elektroniker der anderen Lehrstühle zu kommen (wir haben leider
keinen), aber bisher ohne Erfolg. Ich werd schon noch was finden.
Laß Dich nicht entmutigen. In s.e.d hängen ein paar sehr gute Leute rum,
da kann man durchaus mit konkreten Fragen landen. Und dann gibt's ja
auch diese Newsgroup hier.
--
Cheers
Stefan
Nikolaus Heimes
2004-01-29 16:05:20 UTC
Post by Nikola Heimpel
So - vielleicht hat ja trotzdem noch jemand einen Tip... oder eine tolle
Schaltung.
Hallo, schau dir doch mal bei maxim.de die Typen max3664/5 an und schick
mir bitte deine Mailadresse, ich könnte was für dich haben.
Grusz Niko
--
Vergessen Sie nicht, Ihre Antenne zu erden!
Bernd Mayer
2004-01-29 14:58:19 UTC
Post by Nikola Heimpel
Noch eine Frage dazu: wenn ich mein hohes cw-Signal irgendwie wegkriegen
würde, würde das auch einen positiven Einfluss auf das Rauschen haben?
Wäre das also ein sinnvolles Ziel? Für mich macht der Gedanke irgendwie
Sinn..
Hallo Nikola,

wenn die Bandbreite Deines Nutzignals bekannt ist, dann ist Filterung
schon sinnvoll um das Rauschen zu Minimieren.

HTH


Bernd Mayer
--
MR. MCBRIDE: "Yes, Your Honor. ... I want to walk the Court through
enough of our complaint to help the Court understand that IBM clearly
did contribute a lot of the Unix-related information into Linux.
We just don't know what it is." http://lwn.net/Articles/62817/
Nikola Heimpel
2004-01-29 15:56:01 UTC
Post by Nikolaus Heimes
Post by Nikola Heimpel
So - vielleicht hat ja trotzdem noch jemand einen Tip... oder eine tolle
Schaltung.
Hallo, schau dir doch mal bei maxim.de die Typen max3664/5 an und schick
mir bitte deine Mailadresse, ich könnte was für dich haben.
öh.. meine mailadresse steht im Absender, oder nicht?
Das ist eine reply-fähige Adresse, deshalb steht sie da.

Nikola
Nikola Heimpel
2004-01-29 15:58:04 UTC
[..]
Post by Stefan Heinzmann
Post by Nikola Heimpel
Hm. Naja. Sagen wir so, ich hatte damals erstens noch weniger Ahnung als
jetzt, und auch jetzt ist mir glaube ich nicht 100% klar, wo der
Unterschied zwischen Voltage feedback und current feedback liegt.
Hört sich so an als ob Du etwas Quellenstudium nötig hast ;-)
Ja, mag sein...
Post by Stefan Heinzmann
Zum Thema VFA/CFA gibt's ziemlich viele AppNotes von National, Maxim,
Analog Devices und Texas Instruments. Da würde ich auf alle Fälle mal
Stöbern.
Dann gibt's noch Gedrucktes. Gut ist z.B. das Handbuch "Op Amp
Applications" von Walt Jung (Analog Devices). Die schicken Dir das
vermutlich umsonst, wenn Du da anrufst.
Danke für die Tips, werde ich mir bei Gelegenheit anschauen. Irgendwann
muss ich ja auch noch über mein eigentliches Thema der Diplomarbeit
nachdenken... ;-)
Post by Stefan Heinzmann
Jerald Graeme hat über Photodioden-Verstärker ein Buch geschrieben,
kenne ich aber nicht selber. Graeme ist sonst aber ganz brauchbar. (Ich
habe gesehen, daß ein Hinweis darauf schon im von Dir erwähnten s.e.d
thread vorkommt. Vielleicht kennst Du das Buch ja schon.)
Ja, das kenne ich schon. Das Buch finde ich (auch wenn ich keine Ahnung
habe) ganz gut.
Post by Stefan Heinzmann
Dann wäre vielleicht noch etwas Ahnung von Rauschen (nicht Räuschen ;-))
hilfreich. Das Standardwerk ist da wohl Motchenbacher/Connelly "Low
Noise Electronic System Design".
Ok, noch ein guter Tip. Ich habe zum Thema Rauschen etc. schon mal
gesucht, in unserer Unibibliothek bei den Physikern allerdings nur ein
recht altes Buch gefunden, das mir nicht weitergeholfen hat. Und dann
habe ich es an dem Punkt irgendwie aufgegeben...
Post by Stefan Heinzmann
Post by Nikola Heimpel
Ja, ist mir klar. Ich habe das damals als Werkstudentin versucht,
inzwischen ist das Thema zu meiner Diplomarbeit geworden. Mir ist klar,
dass Eigenbau nicht sooo einfach geht, und ich zweifle ja auch
inzwischen, dass mir das gelingen kann. Aber aus Fehlern lernt man ja
schliesslich, und wenn man nur lernt, dass eine Sache komplizierter ist
als gedacht...
Das ist eine gute Einstellung. Ich wollte Dich auch nicht abschrecken,
sondern nur einer gewissen Naivität vorbeugen. Das scheint bei Dir
überflüssig gewesen zu sein, sorry. Du kannst durchaus probieren, einen
passenden Verstärker zu entwickeln, solange Du genügend Zeit dafür
einplanst.
Sagen wir mal so: ein bisschen was daran habe ich ja letztes Jahr
gemacht, und für die Diplomarbeit haben wir Physiker ein ganzes Jahr.
Wenn zuviel Zeit dabei drauf geht, muss ich halt andere Wege finden.
Aber eine vernünftige Detektion würde wohl auch ziemlich hilfreich
sein... daher könnte es durchaus wert sein, zumindest etwas Zeit noch zu
investieren in dieses Thema. Viel anderes bleibt mir ja schliesslich
nicht, wenn es das nicht vernünftig zu kaufen gibt und unser Lehrstuhl
keinen Elektroniker hat - das Los trifft viele Physiker, wie ich schon
gesehen habe ;-)
Post by Stefan Heinzmann
Post by Nikola Heimpel
Noch eine Frage dazu: wenn ich mein hohes cw-Signal irgendwie wegkriegen
würde, würde das auch einen positiven Einfluss auf das Rauschen haben?
Wäre das also ein sinnvolles Ziel? Für mich macht der Gedanke irgendwie
Sinn..
Rauschen kann man durch Bandbreitenbeschränkung verringern. Wenn dabei
dein CW-Signal auch weggefiltert wird, umso besser. Du solltest damit
anfangen, festzulegen, wie die Randbedingungen für Deinen Verstärker
aussehen sollen. Das sind z.B.: Untere und obere Grenzfrequenz,
Verstärkung, gewünschter Signal-Rauschabstand, erlaubte harmonische
Verzerrungen, Eingangsimpedanz, Ausgangsimpedanz, Offset. Keine
Phantasiewerte erfinden, sondern das Minimum hinschreiben, ohne das Du
den Verstärker nicht brauchen könntest.
Zu den Impedanzen muss ich dabei noch mehr lesen, wobei ich immer davon
ausgegangen bin, dass ich bei den hohen Frequenzen 50 Ohm
Ausgangsimpedanz brauche (von wegen Impedanzapassung und so), aber kann
gut sein, dass das Quatsch ist. SNR sollte, naja, so gut wie möglich
sein, untere Grenzfrequenz darf aber etwas höher sein (1 kHz mindestens,
über mehr muss ich nachdenken). Ich mache mich die nächste Zeit mit
diesen Randbedingungen schlau.
Post by Stefan Heinzmann
Post by Nikola Heimpel
Ok - dann schaue ich einfach mal weiter. Ich habe auch schon versucht,
an die Elektroniker der anderen Lehrstühle zu kommen (wir haben leider
keinen), aber bisher ohne Erfolg. Ich werd schon noch was finden.
Laß Dich nicht entmutigen. In s.e.d hängen ein paar sehr gute Leute rum,
da kann man durchaus mit konkreten Fragen landen. Und dann gibt's ja
auch diese Newsgroup hier.
Ja, das ist gut so, und hilft mir auch immer wieder weiter. Nicht um mir
die Arbeit abzunehmen, aber zum lenken ab und an nicht schlecht... Und
stimmt, in s.e.d. gibt es gute Leute, vor allem, weil einige von denen
selbst konkret mit Optik und Photodetektion beschäftigt sind. Das kann
durchaus auch weiterhelfen, weil die die Dinge kennen, für die ich meine
Elektronik brauche.

Danke nochmals
Nikola
Nikola Heimpel
2004-01-29 16:00:57 UTC
Hallo Bernd,
Post by Bernd Mayer
Post by Nikola Heimpel
Noch eine Frage dazu: wenn ich mein hohes cw-Signal irgendwie wegkriegen
würde, würde das auch einen positiven Einfluss auf das Rauschen haben?
Wäre das also ein sinnvolles Ziel? Für mich macht der Gedanke irgendwie
Sinn..
wenn die Bandbreite Deines Nutzignals bekannt ist, dann ist Filterung
schon sinnvoll um das Rauschen zu Minimieren.
So dachte ich auch, und die Bandbreite meines Signals ist halbwegs
bekannt. Ich muss nur noch mal nachlesen - in einem dieser AppNotes zu
den Photodiodenverstärkern ging es genau um solche Filter, an welcher
Stelle man filtert und was das für einen Einfluss auf mein verstärktes
Signal hat. Irgendwo war da damals ein Haken. Aber ich kann mich
momentan rein gar nicht erinnern, was da war... mal sehen, was ich finde.
Nikola

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