Verstärkung mit dem OP MAX4238 funktioniert nicht

[Zonenmann]

Hallo,

ich möchte ein sehr schwaches Signal (µV Bereich) eines Sensors mit einem OP(MAX4238) verstärken um es mit einem Microcontroller zu verarbeiten. Leider funktioniert die Verstärkerschaltung überhaupt nicht. Ich habe keine Idee wieso. Habe eine Verstärkung von etwa 50 000 in der Zeichnung. SHDN ist auf +5V da der Eingang negiert ist. Hier das Datenblatt des MAX4238:
http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/MAX4238-MAX4239.pdf

Sobald ich den Eingang des OPs an die Spannung lege erhöht sich diese plötzlich. Gibt es evtl irgendetwas das ich übersehe, oder habe ich es nur mehrere Male nicht geschafft richtig zu löten und dadurch jedes Mal das Bauteil zerstört?

Wie lege ich dort einen Offset korrekt an? Er ist zwar sehr gering, aber ich denke dass er doch ausschlaggebend seien wird. Reicht es eine Spannung am "-" Eingang anzulegen?

Für jede Hilfe oder Idee bin ich sehr Dankbar
Gruß
Matthias

[askazo]

Ich würde sagen, Du hast die Verstärkung zu hoch eingestellt, der OP kann damit nicht arbeiten. Siehe S.3 im Datenblatt:
Maximum Closed Loop Gain: 6700 V/V.
Mit 50 000 bist Du da ziemlich weit drüber....

Gruß,
askazo

[shaun]

Bei Microvolts bekommst Du noch ganz andere Probleme - Thermospannungen, Offsets, Störungen aller Art. Was für ein Sensor ist das, kannst Du dessen Erregung irgendwie modulieren? Dann müsstest Du nur noch die Wechselspannung am Ausgang des Sensors mehrstufig!!! hochverstärken und dann synchron demodulieren et voila - Offset- und rauschbereinigtes Ergebnis :)
Wenn der Sensor nicht modulierbar ist, kannst Du immer noch direkt am Sensorausgang zerhacken und ansonsten wie oben verfahren (->Chopper Amplifier)

[Zonenmann]

Der Sensor ist ein TPS334 mit dem eine Hitzequelle erkannt werden soll.
http://www.ortodoxism.ro/datasheets/perkinelmer/TPS334.pdf

ist es möglich 2 OPs in Reihe zu schalten und zu hoffen das de Fehler nicht allzu groß wird? Oder gibt es andere OPs die so eine Verstärkung haben? der OP177 hat 12 000. Die würde dann aber wahrscheinlich auch nicht reichen.

Vielen Dank schonmal

[Besserwessi]

man kann Operationsverstärker in Reihe schalten um größere Verstärkung zu erreichen. Jede Stufe kriegt dann eine Verstärkung von etwa 10-100. Der MAX4238 ist schon gar nicht so schlecht für die 1 te Stufe. Es gibt noch ein paar bessere OPs von LT, wenn es denn unbedingt extrem raucharm sein muss. Es kommt aber auch sehr auf das Platinenlayout und die Abschirmung an.

[Zonenmann]

man kann Operationsverstärker in Reihe schalten um größere Verstärkung zu erreichen. Jede Stufe kriegt dann eine Verstärkung von etwa 10-100. Der MAX4238 ist schon gar nicht so schlecht für die 1 te Stufe. Es gibt noch ein paar bessere OPs von LT, wenn es denn unbedingt extrem raucharm sein muss. Es kommt aber auch sehr auf das Platinenlayout und die Abschirmung an.

Wenn ich das richtig verstehe sollte für die 2 Stufe ein anderer OP her? Oder kann ich den 4238 2 Mal nehmen?? 2 mal 1000x Verstärkung wäre schlechter als 3x 100?? Die Platine wird sehr kleine ausfallen. Nur spannungsversorgung und OP um die Leitungslänge und somit die Verluste des Signals gering zu halten. Das verstärkte Signal geht dann zum Mikrocontroller.

[PICture]

Hallo!

Ich habe ein bischen mit dem Begriff "thermopile infrared detector application note" gegoogelt und sehe ich es nicht so einfach.

MfG

[Zonenmann]

Hallo!

Ich habe ein bischen mit dem Begriff "thermopile infrared detector application note" gegoogelt und sehe ich es nicht so einfach.

MfG
Ich habe folgenden Beitrag im Mikrocontroller forum gefunden:
http://www.mikrocontroller.net/topic/16107

zudem hat Manfred auch schon so eine Schaltung aufgebaut.
https://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=15156

und es wurde auch schon über möglich OPVs gesprochen
https://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=8525&view=next

aus diesem Grund denke ich das es irgendeine Möglichkeit geben muss. Das 2 OPs in reihe nicht ideal sind kann ich mir vorstellen. Aber zumindest könnte ich schonmal etwas damit anfangen.

[PICture]

Sorry! Ich habe gemeint, dass du genau Temperatur messen willst. Etwas damit anfangen kannst Du sicher.

MfG

[Zonenmann]

Sorry! Ich habe gemeint, dass du genau Temperatur messen willst. Etwas damit anfangen kannst Du sicher.

MfG
Hatte mich schlecht ausgedrückt. Ist mein Fehler. Ich möchte eine Hitzequelle wahrnehmen können. Dabei muss die Temperatur nicht genau bestimmt werden.

Erstmal vielen Dank für Eure Hilfe. Werde nächste Woche mal die Schaltung mit 2 OPs Testen. Hoffe dass ich da einigermaßen bruachbare Ergebnisse erzielen kann.

Gruß
Matthias

[PICture]

Ich würde den ersten OPV mit Verstärkung 1000 und den zweiten 50 ansetzen. Weil der TPS334 ziemlich träge ist, kannst du die Banbreite der OPVs mit Kondensatoren paralell zu Verstärkung festlegenden Widerständen bis auf 1 Hz begrenzen, und damit auch das Rauschen stark unterdrücken. Die Offsetspannung der ersten Stufe kannst du evtl. in der zweiter Stufe kompensieren, dort ist sie schon höher und geht einfacher (nicht im µV Bereich).

Viel Spass und Erfolg! :)

MfG

[shaun]

Wie auch immer man es löst, die Offsetspannung und vor allem auch die Offsetdrift muss sehr klein gegenüber dem zu erwartenden Signal sein. Wenn ich uC und Faktor 50000 höre, denke ich an <=100uV. Mit den MAXen hast Du im worst case 0,175V Offset am Ausgang, um diesen Betrag musst Du Deine Zielspannung bei maximaler Eingangsspannung schon mal schmälern.
Die Drift von 10nV/°C gibt bei angenommenen 50K Temperaturbereich 0,5uV am Eingang, ergo 0,025V Offsetänderung am Ausgang. Zum Erkennen einer Wärmequelle sicher ausreichend, zum Messen Käse.
Aber wie schon gesagt wurde: filtern was das Zeug hält, damit Dir Rauschen und Brumm nicht zu sehr reinsaut.

[Zonenmann]

Ich würde den ersten OPV mit Verstärkung 1000 und den zweiten 50 ansetzen. Weil der TPS334 ziemlich träge ist, kannst du die Banbreite der OPVs mit Kondensatoren paralell zu Verstärkung festlegenden Widerständen bis auf 1 Hz begrenzen, und damit auch das Rauschen stark unterdrücken. Die Offsetspannung der ersten Stufe kannst du evtl. in der zweiter Stufe kompensieren, dort ist sie schon höher und geht einfacher (nicht im µV Bereich).

Viel Spass und Erfolg! :)

MfG
Vielen Dank für die guten Tipps. Was für Kondensatoren nehme ich denn am Besten um das Rauschen zu Unterdrücken?? Ist die Wertigkeit im Prinzip egal uns reichen kleine im pF oder µF Bereichaus??
Ist es genug welche von Ein und Ausgangsspannung zu Masse anzubringen, oder muss jeweils einer parallel zum jedem Verstärkungswiderstand gelegt werden?

[PICture]

Ein Kondensator kann man für Wechselspannung als Frequenzabhängigen Widerstand betrachten. Wenn z.B. die Verstärkung für Gleichspannung auf 1000 mit 1k und 1M festgelegt wird und z.B. für 1 Hz nur 900 seien sollte, muss der OPV für 1Hz anstatt 1M nur 900k "sehen" das heisst, dass paralell zum 1M ein Kondensator mit Blindwiderstand Xc = 10M für 1Hz geschaltet werden soll, was einen Kondensator von C = 1 / 2 * pi * f * Xc = 15 nF ergibt. Für 100 Hz wird Xc = 100k und die Verstärkung nur 90.

Man könnte natürlich auch RC Tiefpassfilter am Eingängen und Ausgängen anwenden, aber die Kondensatoren müssen grösser sein (weil die Widerstände meistens kleiner sind) und die Schaltung wird komplizierter.

Bei so grosser gesamten Verstärkung (50 000) ist die Gefahr, dass der gesamte Verstärker oszillieren könnte, ziemlich gross und wird das ganze aus einem nichtinvertierenden und einem invertierenden Verstärker gebaut.

Aus dem Grund werden auch meistens in den Zuführungen von Versorgungsspannungen für OPVs RC Tiefpassfilter oder zumindest grosse Elkos an Masse benutzt, da der gesamte Verstärker auch auf sehr niedrigen Frequenzen (z.B. 0,01 Hz) oszillieren kann.

Na ja, aber zuerst baue es zusammen und wenn Probleme geben sollte, poste, bitte, ein Schaltplan, dann werden wir weiter denken.

MfG

[Zonenmann]

Ein Kondensator kann man für Wechselspannung als Frequenzabhängigen Widerstand betrachten. Wenn z.B. die Verstärkung für Gleichspannung auf 1000 mit 1k und 1M festgelegt wird und z.B. für 1 Hz nur 900 seien sollte, muss der OPV für 1Hz anstatt 1M nur 900k "sehen" das heisst, dass paralell zum 1M ein Kondensator mit Blindwiderstand Xc = 10M für 1Hz geschaltet werden soll, was einen Kondensator von C = 1 / 2 * pi * f * Xc = 15 nF ergibt. Für 100 Hz wird Xc = 100k und die Verstärkung nur 90.

Man könnte natürlich auch RC Tiefpassfilter am Eingängen und Ausgängen anwenden, aber die Kondensatoren müssen grösser sein (weil die Widerstände meistens kleiner sind) und die Schaltung wird komplizierter.

Bei so grosser gesamten Verstärkung (50 000) ist die Gefahr, dass der gesamte Verstärker oszillieren könnte, ziemlich gross und wird das ganze aus einem nichtinvertierenden und einem invertierenden Verstärker gebaut.

Aus dem Grund werden auch meistens in den Zuführungen von Versorgungsspannungen für OPVs RC Tiefpassfilter oder zumindest grosse Elkos an Masse benutzt, da der gesamte Verstärker auch auf sehr niedrigen Frequenzen (z.B. 0,01 Hz) oszillieren kann.

Na ja, aber zuerst baue es zusammen und wenn Probleme geben sollte, poste, bitte, ein Schaltplan, dann werden wir weiter denken.

MfG

Super. Danke schön. So werde ich das machen!

[Zonenmann]

Ein Kondensator kann man für Wechselspannung als Frequenzabhängigen Widerstand betrachten. Wenn z.B. die Verstärkung für Gleichspannung auf 1000 mit 1k und 1M festgelegt wird und z.B. für 1 Hz nur 900 seien sollte, muss der OPV für 1Hz anstatt 1M nur 900k "sehen" das heisst, dass paralell zum 1M ein Kondensator mit Blindwiderstand Xc = 10M für 1Hz geschaltet werden soll, was einen Kondensator von C = 1 / 2 * pi * f * Xc = 15 nF ergibt. Für 100 Hz wird Xc = 100k und die Verstärkung nur 90.

Man könnte natürlich auch RC Tiefpassfilter am Eingängen und Ausgängen anwenden, aber die Kondensatoren müssen grösser sein (weil die Widerstände meistens kleiner sind) und die Schaltung wird komplizierter.

Bei so grosser gesamten Verstärkung (50 000) ist die Gefahr, dass der gesamte Verstärker oszillieren könnte, ziemlich gross und wird das ganze aus einem nichtinvertierenden und einem invertierenden Verstärker gebaut.

Aus dem Grund werden auch meistens in den Zuführungen von Versorgungsspannungen für OPVs RC Tiefpassfilter oder zumindest grosse Elkos an Masse benutzt, da der gesamte Verstärker auch auf sehr niedrigen Frequenzen (z.B. 0,01 Hz) oszillieren kann.

Na ja, aber zuerst baue es zusammen und wenn Probleme geben sollte, poste, bitte, ein Schaltplan, dann werden wir weiter denken.

MfG

Super. Danke schön. So werde ich das machen!

Habe heute erstmal mit einem OP rumprobiert. Nach einigen anfänglichen Problemen bin ich auf eine Verstärkung von Av=100 runtergegangen. Da funktioniert alles prima. Mit Av=400 zB nicht. Immerhin geht jetzt schonmal etwas. Werde dann mal weiter rumprobieren.
Gibt es eigentlich Nachteile zu der Verstärkerschaltung die auf dem Datenblatt vorhanden ist (siehe unten)? Abgesehen von den Kondensatoren die bei meiner Schaltung noch nicht vorhanden sind. Das unten sieht irgendwie nach nem Differenzverstärker aus bei dem 2 Widerstände fehlen... Irgendwie werde ich daraus auch nicht wirklich klug.

Vielen Dank für Eure Hilfe!

[Besserwessi]

Die 2 fehlenden Widerstände zu einem normalen Differenzverstärker sind die Ausgangswiederstände der Brücke. Wegen der geringen Bandbreite des Sensors sollte man wirlich die Kondensatoren einbauen. Es sollte aber reichen die Bandbreite auf ca. 10 Hz oder so zu begrenzen. Wichtig es jedenfalls ein obere Bandgrenze unter etwa 5 kHz, weil in dieser Größenordnung die interne Chopperfrequenz liegen wird. Mit Begrenzung der Bandbreite geht dann eventuell auch wieder mehr Verstärkung in der 1 ten Stufe.

[Zonenmann]

Habe noch etwas herumprobiert. Bei einer konstanten Spannung kann ich nun 1000fach verstärken. Beim Sensorsignal leider nicht...
Immerhin funktioniert es schonmal etwas.
Bei EAGLE habe ich nunnmal den 2. OP in Reihe dazugezeichnet. Meint Ihr so würde das funktionieren? Ist der Offset richtig so?

[Besserwessi]

Die Widerstände sollten etwas größer, bei 10 Ohm kommt schon der Widerstand der Leiterbahnen zum tragen. Besser den 1 K Widerstnd auf 10 K erhöhen. C2 und C4 sollte man weglassen, es kommt hier schleißlich nicht darauf an hohe Frequenzen präzise zu übertragen. Mit den Kondensatoren haben die OPs eine kappatzitive Last, was as Stabilitätsgründen besser vermieden werden sollte.

Der Offset geht so nur in eine Richtung, wenn der Offset zufällig in die andere Richtung geht, hat man Probleme. Außerdem müßte beim Offset noch ein Wiederstand in Serie zum Schleifer, sonst ändert man auch gleich die Verstärkung mit. Man hat ohnehin das Problem, das der Sensor auch negative Spannungen liefern kann, z.B. wenn der Sensor auf etwas kälteres als den Sensor zeigt.

Die 2 te Stufe sollte man besser invertierend aufbauen, dann ist die Gefahr von Rückkopllungen auf die erste Stufe etwas geringer, den es wird kein direkter Strom nach Masse erzeugt.

[Zonenmann]

Die Widerstände sollten etwas größer, bei 10 Ohm kommt schon der Widerstand der Leiterbahnen zum tragen. Besser den 1 K Widerstnd auf 10 K erhöhen. C2 und C4 sollte man weglassen, es kommt hier schleißlich nicht darauf an hohe Frequenzen präzise zu übertragen. Mit den Kondensatoren haben die OPs eine kappatzitive Last, was as Stabilitätsgründen besser vermieden werden sollte.
OK. Alles klar.


Der Offset geht so nur in eine Richtung, wenn der Offset zufällig in die andere Richtung geht, hat man Probleme. Außerdem müßte beim Offset noch ein Wiederstand in Serie zum Schleifer, sonst ändert man auch gleich die Verstärkung mit. Man hat ohnehin das Problem, das der Sensor auch negative Spannungen liefern kann, z.B. wenn der Sensor auf etwas kälteres als den Sensor zeigt.
Masse hinter dem Poti weglassen wäre wahrscheinlich sehr unsauber, oder? Immerhin würde das das Problem der Verstärkung zunichte machen wenn ich das richtig sehe. Ansonsten müsste doch ein sehr hochohmiger Widerstand in Serie zum Schleifer.



Die 2 te Stufe sollte man besser invertierend aufbauen, dann ist die Gefahr von Rückkopllungen auf die erste Stufe etwas geringer, den es wird kein direkter Strom nach Masse erzeugt.
Ein negatives Signal am Ausgang fände ich unschön. Wäre es dann prinzipiell besser 2 invertierende Verstärker in Reihe zu schalten?


Vielen Dank für die Hilfe.
Matthias

[Zonenmann]

Ich habe nochmal etwas überlegt... Macht es eigentlich Sinn den Offset bei diesem OP abgeleichen zu wollen?? Mir kommt es so vor als würde der Fehler dadurch eher größer werden.
Habe das ganze nochmal mit 2 invertierten Verstärkern aufgezeichnet:

Vielen Dank für Eure Hilfe
Gruß
Matthias

[Besserwessi]

Den ersten Verstärker sollte man schon nicht invertierend aufbauen, denn der Sensor hat ca. 70 kOhm Quellwiederstand. Das ist schon etwas viel für einen Invertierenden Verstärker. Für den invertierenden Verstärker der zweiten Stufe wird man dann etwas Offset brauchen, damit die Ausgangspaanung immer positiv ist. Den Offset könnte man einfach an den nicht invertierenden Eingang legen. Einen echten Offset Abgleich für die OPs wird man kaum brauchen, da der Offset der OPs sehr klein ist.

[Zonenmann]

Aus irgendeinem Grund funktioniert es nicht einen invertierenden Verstärker aufzubauen. Habe momentan 2 nicht invertierende in Reihe. 100nF Kondensatoren Parallel zu den Widerständen. Der offset beträgt nur 40 mV ist also einigermaßen vertragbar. Ein Versuchter Abgleich hat nicht zum Erfolg geführt.
Leider hat die Spannung am Ausgang 50Hz. Somit ist es nicht möglich diese direkt mit dem µC auszulesen. Wenn ich an den Ausgang einen Elko zum stabilisieren lege wird die Spannung zwar schön geglättet, aber zB auch bei vorherigen 2,5 V wird auf 0V geglättet.

[Besserwessi]

Ohne absichtlich einfeführten offset wird das mit einen invertierenden Verstärker bei einfacher Spannungsversorgung nicht gehen. Wo soll den die negative Spannung herkommen ?
Der anfangs beschriebene Sensor kann auch negative Spannungen leifern. Man sollte also besser mit einer künstlichen Masse, irgendwo bei halber Versorgungsspannung arbeiten. Man wird für den AD Wandler ja auch den Nullpukt irgendwo in die Mitte des Bereichs legen müssen.

Ein 50 Hz Signal kann man ganz gut mit dem AD Wandler aufnehmen. Wenn die 50 Hz zu stark sind, muss man halt etwas besser abschirmen. Auf einer Platine wird das meistens deutlich besser als auf dem Steckbrett.

An den OP Ausgang sollte man keinen Kondensator oder Elko gegen Massen schalten. Viel OPs können bei zu viel Kappatzität am Ausgang an zu schwingen anfangen. Wenn unbeabsichtigt eine Kappatizitive Last vorliegt sollte man sogar extra einen Serienwiderstand vor die Last legen.

[Zonenmann]

Ein 50 Hz Signal kann man ganz gut mit dem AD Wandler aufnehmen. Wenn die 50 Hz zu stark sind, muss man halt etwas besser abschirmen. Auf einer Platine wird das meistens deutlich besser als auf dem Steckbrett.

Sowas hatte ich auch gehofft. Leider funktionierte das nicht so. Was meinst du Mit Abschirmen? Wie bzw was muss abgeschirmt werden?

Danke für die Hilfe
Matthias

[Zonenmann]

Ein 50 Hz Signal kann man ganz gut mit dem AD Wandler aufnehmen. Wenn die 50 Hz zu stark sind, muss man halt etwas besser abschirmen. Auf einer Platine wird das meistens deutlich besser als auf dem Steckbrett.

Sowas hatte ich auch gehofft. Leider funktionierte das nicht so. Was meinst du Mit Abschirmen? Wie bzw was muss abgeschirmt werden?

Danke für die Hilfe
Matthias

OK... richtig lesen ist manchmal von Vorteil. Sorry...

Ich werde mal sehen ob es irgendwie möglich ist das 50Hz Signal vernünftig mit dem ATD einzulesen. Das wäre wohl das einfachste.

[Zonenmann]

Hallo zusammen!
Vielen Dank für Eure Hilfe. Die Verstärkerschaltung funktioniert nun. Das oszillierende Signal am Ausgang wird vom vom µC verarbeitet und stimmt ziemlich genau mit Messwerten überein. Zwar etwas langsam, aber man kann nicht alles haben...
Grüße
Matthias

P.S.:Die 50Hz kommen vom Sensor