Archiv verlassen und diese Seite im Standarddesign anzeigen : sehr schneller OP
Kann mir jemand einen SEHR schnellen OP empfehlen?
Er soll als Transimpedazwandler beschaltet werden.
Wolfgang
coldfirev3
12.03.2005, 16:15
Wieviel ist sehr schnell und welche Rahmenbedingungen herrschen ?
engineer
12.03.2005, 17:27
Schau mal bei den MAXIM Videobuffern. Das ist eine breite Anwendung, daher sind die Preise dort gering. Ansonsten BurrBrown (TI) hat einige Bausteine BUF xxx - die als Treiber für 50 Ohm taugen.
Rahmenbedingungen: Ich das Signal einer Fotodiode Verstärken. Das soll so schnell wie möglich ablaufen bzw. wichtiger wäre, dass die Verzögerungszeit der Verstärkung so konstant wie möglich ist (propagation delay dispersion). Der Ausgang vom OP kommt dann an einen Komparator.
Wolfgang
Es gibt Schaltungen mit recht hohen Anforderungen an die Geschwindigkeit, die ein kleines Photodioden Signal mit 10MHz sauber und rauscharm verstärken.
Andere erprobte Schaltungen verarbeiten ein 40GHz Signal, schmalbandig und bei konstantem Pegel.
Die Ausführung im Einzelnen ist dabei unterschiedlich.
Bei 40GHz könnte ich wenig helfen.
Manfred
Es geht um eine Laufzeitmessung -> Abstandssensor. Momentan messe ich den Abstand zu einem Spiegel. Zur Messung an normalen Wänden/Gegenständen werde ich das Signal aber Verstärken müssen bevor ich es an den Komparator gebe. Für "normale" Messungen die meisten Hersteller von Fotodioden einen Transimpedanzwandler vor. Mit denen habe ich bisher auch die besten Erfahrungen gemacht. Leider nur bzgl. Sensitivität, Linearität und ähnlichem was man zur Charakterisierung von LEDs und Lasern braucht.
Habt ihr für mein Vorhaben eine bessere Lösung?
An sonsten könntet ihr mir vielleicht sagen, welche Eigenschaften von OPs ich für diese Anwendung beachten muss.
Wolfgang
@Manf: Bei 40GHz wäre mein erstes Problem wohl die Erzeugung der Singeltons gewesen ( ;
coldfirev3
12.03.2005, 20:02
Na bei den Anforderungen wird der Temperaturdrift und die slew-rate wohl erste Geige spielen.
Maxim und Burr-Brown waren schon gute Vorschläge, Analog Devices nicht zu vergessen.
Aus meiner Erinnerung in die Steinzeit klebt noch ein NE 592 im Hinterkopf, das war(ist?) ein Video-Breitband-OP mit differential-Ausgang.
Habt ihr für mein Vorhaben eine bessere Lösung?
An sonsten könntet ihr mir vielleicht sagen, welche Eigenschaften von OPs ich für diese Anwendung beachten muss.
Eine Laufzeitmessung ohne weitere Hinweise, das klingt wie Schwellwert Erkennung bei Eintreffen einer Einzelflanke. Daraus ergäben sich extreme Anforderungen an die Linearität und Geschwindigkeit.
Was weiß der Komparator über den Teil des Signals der nach dem Schwellwert kommt?
Mit einem kontinuierlichen Signal und einer Verstärkungsregelung kann man die Komparatorschwelle sicher auf die halbe Amplitude eines stets gleich hohen Signals einstellen. Wenn das eingesetzt wird gehen die Anforderungen weit zurück. Es ist nur noch ein rauscharmer Verstärker nötig, der einigermaßen selektiv sein darf.
Es wird dann zur Phasenmessung die sehr viel einfacher wäre. Aber das ganze Konzept kenne ich nicht. Die Bemerkung mit den Singletons läßt mich ahnen, dass Einzelimpulse gemessen werden sollen.
Manfred
Hier mal ein Foto vom aktuellen Messaufbau. Links in der Mitte ist der Laser. Das Stück Plexi vor dem Laser verwende ich als halbdurchlässigen Spiegel. Die Relektion davon geht auf die Fotodiode unterhalb des Lasers. Mit dem Spiegel (ganz rechts) lenke ich die Reflektion auf die Fotodiode oberhalb des Lasers.
Als Messeinheit verwende ich den GP1 von Acam. (@Manf: Ich habs auch einige Zeit so versucht wie du vorgeschlagen hast. Nachdem ich dann ca. 40€ für S&H Einheiten und ähnliches durch hatte und keine reproduzierbaren Werte bekommen hab, hab ich mir den GP1 besorgt. Das soll nicht heißen, dass es so nicht geht! ich bin kein E-Techniker...)
Am Starteingang liegt der Laser. Auf Stop1 die untere Fotodiode. Stop2 die obere. Ausgewertet wird die Differenz von Stop2 - Stop1.
Ach ja: Signal (Sperrstrom) der Dioden greife ich über einen Widerstand ab. Der Spannungsabfall über dem Widerstand geht jeweils auf einen Komparator der das Signal mit der Spannung vergleicht, die ich über Spindeltrimmer (=Spannungsteiler) eingestellt hab. Also alles recht primitiv gemacht. Komparatorausgang -> TDC
Wolfgang
Dann ist das Licht 2ns unterwegs?
Die Zeit ist etwas schwer zu messen, wenn man die Amplitude nicht kennt, die von der Strecke zurückkommt. Man wird also mit einer kontinuierlichen Folge von Impulsen abgleichen?
Die relativ langen Leitungen die zu den optischen Elementen führen sind auch nicht für die hohe Frequenz geeignet oder sind da Koaxialkabel dabei?
Signal (Sperrstrom) der Dioden greife ich über einen Widerstand ab.Man versucht bei den Frequenzen schon, an der Diode gar nicht erst einen Spannungsabfall aufkommen zu lassen (der über Streukapazitäten in Tiefpässen endet), und geht gleich in den Stromeingang eines Verstärkers. Das Signal geht dann über Kaskodestufen (mit "o") an sehr niederohmige Ausgänge um allenfalls an 50Ohm als Spannung aufzutauchen.
siehe auch http://de.wikipedia.org/wiki/Transimpedanzverst%C3%A4rker (na gut auch mit 100Ohm).
So sehr gefällt mir das Schaltbild bei Wiki für schnelle Anwendungen nicht. Eine Gegenkopplung über mehrere Stufen zum Ausgang des OP funktioniert in dem Frequenzbereich kaum noch. Man sollte versuchen gering verstärkende Stufen hoher Bandbreite in Kette zu schalten, um ein in der Amplitude geregeltes verstärktes niederohmiges Signal zu erhalten.
Ich habe mal eine lustige Schaltung ausprobiert, die mit relativ einfachen Mitteln Signale bis 4GHz abtasten konnte. Vielleicht wäre das etwas, um dann eine Auflösung von 4cm zu erhalten.
Manfred
Wie gesagt bin ich das ganze erstmal recht simpel angegangen. Nicht zuletzt weil ich wissen wollte ob es überhaupt funktioniert.
Die Zeitdifferenz beim Aufbau vom Foto liegt bei 2 - 10 Digits. Ich vergleiche ja die Differenz der Fotodioden. Allerdings habe ich die Komparatorspannungen auch ein weilchen abgleichen müssen. Ich habe leider noch keine ausführlichen Messungen gemacht. Meine angetraute Gewittertulpe hat meine vollste Aufmerksamkeit gefordert. Ich bin also grad so weit, dass ich weiß dass die gemessene Zeit mit dem abstand vom Spiegel zu nimmt.
Für einen groben Abgleich hab ich die Vergleichsspannung auf 50% der Signaldifferenz (Laser an - Laser aus). Den Rest dann so dass es hablwegs gepasst hat.
Die Leitungen von Laser und Dioden zum den Steckbrettern sind recht kurz. Vom Steckbrett zur Platine mit dem GP1 gehts mit Koax weiter.
Bei Transimpedanzwandlern hab ich die Erfahrung gemacht, dass eben nicht alle gleich sind (ja wirklich). Ernsthaft: Mit manchen Dioden-Wandler Kombinationen lässt sich der "Hall" in einer Ulbrichtkugel messen bzw. man sieht die unterschiedlichen Abfallzeiten. Bei den Eigenbauten war der Unterschied bisher immer höchstens im Ansatz erkennbar (waren auch für genaues nicht schnelles messen ausgelegt).
@Manf: welche Schaltung würdest du vorschlagen bzw. wie würdest du die Standardschaltung von Wiki abändern. Im jetzigen Stadium bin ich da noch für alles offen.
Die optimale Schaltung kommt sehr auf die angestebte Grenzfrequenz an. Vor allem hohe Verstärkung und starke Gegenkopplung sollte vermieden werden. Bis zum Einschwingen der Ausgangsstufe ist ja der Eingang nicht kompensiert.
Mehrstufige Verstärker müssen deshalb bei hohen Frequenzen einzeln gegengeoppelt werden.
Es gibt dann Bereiche, in denen einzelne Transistoren das Signal sicherer verarbeiten als Intergrierte Schaltungen.
Beim Einsatz von Einzeldrähten und Steckbrettern ist der Aufbau schon sehr empfindlich und Kapazitäten zu Nachbarpins von einzelnen pF gehen erheblich in die Funktion der Schaltung ein.
Ich würde mir zunächst ein Ziel setzen welcher Verstärkungsbereich realisiert weden soll und eine Schaltung so gestalten, daß sie die Verstärkung ohne externe (gemeinsame) Gegenkopplung erbringt.
Bei der Zeitmessung gibt es auch eine Reihe von Verfahren wie man Zeitschritte von 100ps über einen Berich von einigen zig ns auflöst. Ein Sampling Scope kann da als Vorlage dienen. Dann ist es kein Komparator sondern ein Abtaster der die Zeit erfasst. Aber damit bin ich eher im Systemkonzept als bei der Fragestellung.
Manfred
Das mit den Steckbrettern hab ich schon festgestellt. Daher hab ich mehrere verwendet.
Die Zeitmessung erledigt der GP1. Hab grad ein Foto von dem Teil der Schaltung gemacht. GP1=TQFP SMD Baustein unten. darunter die BNC Buchsen für Start, Stop1 und Stop2. Die beiden schwarzen Kabel gehen an die Enable Eingänge der Stops und liegen dauernd auf Enabled.
Verstehe ich das jetzt richtig, dass ich als erstes den Verstärkungsfaktor kennen muß? Dann mehrere "kleine" Verstärker die separat gegengekoppelt sind?
Also:
1: Transimpedanz
2: Verstärker mit jeweils geringer Verstärkung (->hohe Bandbreite?)
3: Komparator
Wolfgang
Ja, das ist grundsätzlich richtig. Transimpedanz heißt, an den Stellen an denen das Signal hochohmig zur Verfügung steht, wie an der Diode, darf es nicht die Spannung ändern, sonst belastet die Streukapazität die Bandbreite, gleich in einen niederohmigen Verstärkereingang gehen.
Ich habe mit auch eine kurze Beschreibung des GP1 angesehen.
http://www.acam.de/Content/English/gp1/gp1_2.html
Das Verfahren kenne ich von einem TDR von HP zur Leitungsmessung dessen Beschreibung ich als Student gelesen habe. 250ps also, das ist schon recht anspruchsvoll, aber der Baustein nimmt einem ja eine Menge ab.
Wenn noch grundsätzliche Betachtungen erlaubt sind: Bei diesen high Performance Signalverarbeitungsaufgaben sollte man (ähnlich wie bei schneller Datenverarbeitung) die Systemebene einbeziehen. Von Parallelität und Pipelining ist hier das Pipilining gut anzuwenden mit der Kette von Verstärkern die das Signal stückweise weiterbearbeiten und durchreichen.
Ähnlich wie beim Sampling Scope kann man auch Iterativ arbeiten. Ein Messzyklus ist eigentlich viel schneller fertig als nötig und man kann die Aufgabe auf mehrere Zyklen verteilen. Es kann sich lohnen, nur zu betrachten, ob das Signal von Objekt nach 5,25 ns eingetroffen ist oder nicht, im nächsten Durchgang überprüft man, ob es nach 5,5ns da ist.
Auf diese Weise würde man in 400 Durchläufen den Bereich bis 100ns (15m) absuchen können. Dann sind erst 40µs um, plus Overhead. Die restliche Zeit kann man auch gut nutzen. Das geht aber schon wieder in Richtung Gesamt-Konzept und am Einsatz des GP1 vorbei.
Manfred
Wie gesagt, nachdem ich es mit Flanken und deren Abtastung nicht hinbekommen hab -> GP1.
Inzwischen gibts neben der Gatterlaufzeit noch weitere Verfahren aber ...
Langfristig würde ich die 125ps Auflösung bevorzugen.
Jedenfalls mein Problem ist, dass ich nicht weiß auf welche Parameter von den OPs ich achten muss.
Wolfgang
Ich bin leider zu keinem Ergebnis für den Verstärker gekommen, aber folgende Überlegung wollte ich noch anbringen die sicher bei der Auswahl eines Verstärkers hilft.
Es soll eine Zeitmessung bis zum Eintreffen des Echoimpulses durchgeführt werden. Der Echoimpuls kommt aus unterschiedlicher Entfernung und ist auch aufgrund der Reflexionsfläche unterschiedlich stark. Wie schafft man es, den Impuls so zu verarbeiten, daß er in gleicher Form an den Komparator gelangt, damit der Trigger nicht aufgrund der Impulsform unterschiedlich schaltet?
Man benötigt einen über einen weiten Bereich linearen Verstärker. Eine solche Anforderung besteht auch bei Oszilloskopen, die Signale unterschiedlicher Größe ohne Verfälschung der Form darstellen sollen. (5mV-20V pro Einheit). Bei Oszilloskopen ist es ganz konsequent so gelöst, daß der Y-Verstärker das kleinste Signal (8*5mV) ausreichend verstärkt, immerhin auf etwa 60V und das alle andern Signale durch einen passiven Teiler am Eingang gehen um genau auf diesen kleinsten Wert zu kommen. Der passive Teiler ist bei der hohen Bandbreitenanforderung der Schlüssel zur Linearität über einen großen Bereich.
Im vorliegenden Fall sollte man es ähnlich machen, und den Verstärker für das schwächste Signal auslegen. Stärkere Signale sollte dann passiv und mit voller Bandbreite bei bester Linearität auf diesen Pegel gebracht werden. Mit einer optischen Dämpfung ist dies sicher perfekt zu erreichen. Es wird die sauberste Lösung sein.
Wenn das schwächste Signal Kompromisse an Rauschen und Jitter erfordert, dann kann man auch einen zweiten Meßbereich einführen.
Manfred
Danke.
Werd mir in den nächsen Tagen erstmal etwas mehr Gedanken über die Detektoroptik machen und dann noch Messungen dazu machen um ein paar Anhaltspunkte bzgl. Signalhub zu bekommen.
Wolfgang
Gerade bin ich in der ELEKTRONIK 5/05 auf eine Produktvorstellung des TDC502 von MSC gestoßen. Ich wollte nur erwähnen, daß es dort auch Bausteine zur Zeitmessung gibt.
Besonders interessant ist dabei wohl die große Gesamtmessdauer von ms im Vergleich zur Auflösung im 100ps Bereich.
Wenn es um die Auflösung im 100ps Bereich allein ginge, könnte man doch auch einen Rampengenerator stoppen, der beispielsweise einen 50pF Kondensator mit 5mA aufläd, also mit 0,1V/ns, und den Spannungswert auf 10mV genau auslesen. Die Gesamtdauer wird dann nur im Bereich um 20-50ns liegen.
Die komplementäre Schaltung habe ich einmal realisiert, um Impulse für eine Signalabtastung (Sampling Oszilloskop) um jeweils 100ps zu verschieben. Der Versuchsaufbau hat sehr gut funktioniert, wobei nur einfache Gatter und Transistoren zur einstellbaren Impulsverzögerung verwendet wurden. Nur der Sampling Impuls selbst mußte dann schon etwas anspruchsvoller realisiert werden.
Manfred
http://www.msc.de/cgi-bin/frame.pl?url=/d/produkte/ele_kom/tdc/tdc502.html:language=d
http://www.msc.de/d/produkte/ele_kom/tdc/img/tdc502V2_starterkit.gif
Die Messzeit kann auch beim GP1 auf den ms Bereich erweitert werden.
Dazu wird dann ein Vorteilerprinzip eingeführt.
Interessant ist die Auflösung vom TDC502. Weißt du zufällig wo er preislich liegt?
Von Acam ist auch der GPX interessant. 25ps Auflösung und integrierte Komparatoren. Problem ist nur die unhandliche Bauform (bei meinen Lötkünsten ist TQFP100 schon ein knockout Kriterium).
Die 0,8mm vom TDC502 wären da grad noch OK.
Werde jetzt erstmal schauen, welche Signale ich erwarten kann. Dazu hab ich mir ein paar Linsen bestellt.
An sonsten hab ich inzwischen noch ein paar Messungen gemacht. Sieht nicht rosig aus. Die Messzeit nimmt zwar mit der Entfernung zu ist aber auch noch sehr stark von anderen Faktoren abhängig. Z. B. ist die Reflektion am Spiegel problematisch. Strahldivergenz des Lasers, Position der Reflektion auf der PD...
Ohne Verstärker wird da so wahrscheinlich auch nix.
Wolfgang
Weißt du zufällig wo er preislich liegt?
Nein, leider nicht.
Wenn Du schon Messungen machst, welche Entfernung erreichst Du denn bis jetzt schon?
Der Vorschlag ist ja, das elektrische Signal in der Amplitude an den niedrigsten Pegel anzugleichen, damit die Signale sich nur durch die Laufzeit unterscheiden. Die Dämpfung sollte dann optisch durch eine Blende (oder Polarisator oder beides) vorgenommen werden.
Kannst Du die Signalamplitude messen? Ausreichend wäre ein Vergleich auf konstanten Pegel. Man kann dazu den Laser mit einem niederfrequenten Rechtecksignal modulieren.
Manfred
Das Problem ist die Justage des Spiegels auf die Empfängerdiode. 120cm war bisher die gröste Entfernung.
Problem ist, dass das Signal der Detektordiode schwächer wird und ich die Schwellspannung am Komparator anpassen muss.
Zudem schwanken die Messzeiten sehr stark (auch abhängig von der Justage des Spiegels)
Daher wollte ich als erstes Spiegel beseitigen und auf die Reflektion an einer normalen Wand detektieren. Dabei wollte ich mir eben auch das Signal anschauen, das real von Wänden/Möbeln... reflektiert wird.
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