Große Drift (Temperatur könnte ein Übeltäter sein) in diesem Schaltkreis. Wer kann helfen?

Zweck: Verstärken der Differenzspannung aus einer Bi-Zellen-Fotodiode. Die Verstärkung muss eine hohe Verstärkung aufweisen, da wir Verschiebungen des IR-Strahlschwerpunkts, der die Bi-Zelle emittiert, auf nm-Ebene untersuchen

Schaltung: Unten ist ein Schema meiner Schaltung:

  • TA1 und TA2 sind die Transimpedanzverstärker (LTC6268)
  • Alle OPs (1-5) sind LM324N
  • Die Nulling-Schaltungen stellen sicher ( v A − v B ) ist bei der Initialisierung der Schaltung Null.
  • v Ö S ist die Offset-Spannung, die während der Initialisierung angelegt wird und während des Betriebs unseres Systems konstant bleibt.
  • Die 100-kOhm-Widerstände und der 3-nF-Kondensator dienen zum Tiefpassfiltern der Differenz zwischen ihnen v A N Und v B N
  • Der Instrumentenverstärker (INA217) mit variablem Widerstand hat eine Verstärkung von 1000
  • Der Ausgang des Instrumentenverstärkers wird gefiltert und gepuffert, um sensOut zu erhalten

Ich brauche die hohe Verstärkung in der Schaltung, um den sensOut mit meinem 12-Bit-DAQ abholen zu können.

Problem: Ich sehe große Drifts in meiner Schaltung, aber keine Rauschprobleme

Ich freue mich über jeden Tipp, wie ich meine Schaltung verbessern kann. Ich bin ein Mechatronik-Anfänger und Ihr Feedback wird sehr geschätzt.

schematische Darstellung

Ein Bild der Spannungsdrift über eine 24-Stunden-Datenaufzeichnung ist unten:

Sensorausgangsdiagramm mit Spannungsdrift

Woher wissen Sie, dass Ihr Vos konstant ist?
Ich verwende einen 14-Bit-DAC
Was ist, wenn Sie einen milden Haartrockner über dem Stromkreis verwenden?
Was ist, wenn Sie alle Lichter im Labor ausschalten?
Ok - woher wissen Sie, dass Ihr DAC konstant ist? Was ist seine Referenz?
Sollte R8 nicht 66 kOhm haben?
Es ist definitiv ein täglicher Zyklus. Das ist klar genug. Die Temperatur kann sicherlich ein Teil des Problems sein.
@Amir Warum so hochwertige Widerstände in der Nulling-Phase? Was denkst du da?
@Amir Führen Sie Ihre positive Spannungsschiene tatsächlich den (+) Eingängen Ihrer Transimpedanzverstärker zu?
@Amir Die Leckage in Ihren beiden Fotodioden kann mit der Temperatur im Laufe der Zeit leicht voneinander abweichen. Zwei Operationsverstärker haben auch leicht unterschiedliche Vos. Sie selbst variieren auch leicht mit der Temperatur. Wie gehen Sie damit um?
Wie stabil sind Ihre Versorgungsspannungen? Und wie stabil ist die VREF des DAC?
Sind die Widerständler smd? Die billigen neigen dazu, im Vergleich zu Durchgangslöchern zu saugen.
Es gibt so viele unbeantwortete Fragen dazu, dass ich dafür stimme, es als unklar zu schließen.
@AliChen: Ich habe das Haartrockner-Experiment ausprobiert und sehe die Drift damit. Die Umgebungstemperatur könnte ein Grund sein, wie der 24-Stunden-Zyklus das auch zeigt.
@AliChen: Ich habe die Umgebungslichtvariante noch nicht ausprobiert, aber ich konnte auch kleinere Drifts innerhalb einer halben Stunde sehen. Die Schwankungen des Umgebungslichts könnten eher Schwankungen mit höherer Frequenz als ein 24-Stunden-Driftzyklus sein, richtig?
@brhans: Ich bin davon ausgegangen, dass es innerhalb der Auflösung des DAC liegt. Haben Sie Vorschläge, wie ich es verbessern und sicherstellen kann, dass die DAC-Ausgabe konstant ist?
@ThePhoton: Warum 66k? Ich habe es sogar ohne Widerstand mit Masse kurzgeschlossen, aber keinen großen Unterschied in der Ausgabe gemacht
@jonk: Ich habe die empfohlenen Widerstände im LM324-Datenblatt verwendet, aber gibt es ein bestimmtes Problem bei der Verwendung großer Widerstände? Haben Sie empfohlene Widerstandsgrößen?
@jonk: Ich habe einen separaten Spannungsregler von +8 V an den + Eingang der Transimpedanzklemmen und die gemeinsame der Bi-Zelle, um den Dynamikbereich zu erhöhen, damit ich höhere Rückkopplungswiderstände in der Transimpedanzstufe verwenden kann.
@jonk: Ich habe nichts in die Schaltung aufgenommen, um die von Ihnen erwähnten Probleme zu lösen. Irgendwelche Vorschläge?
@analogsystemsrf: Ich habe Spannungsregler von Digikey verwendet. Haben Sie Vorschläge, was eingebaut werden könnte, um es stabiler zu machen?
@RobertEndl: Sie sind Durchgangsloch
@Amir (Ich glaube nicht, dass Sie die Grundlagen richtig haben, aber ich habe jetzt keine Zeit, mir darüber Gedanken zu machen. Es könnte nur ich sein, und daher gehe ich davon aus, dass Sie alles perfekt entworfen haben.) So gut wie möglich In einigen Fällen hatte ich meiner Erfahrung nach Schwierigkeiten im Zusammenhang mit der Wechselwirkung von Umgebungstemperatur und Schwankungen der Offset-Spannungen an den Operationsverstärkern, die zu unerwünschten und nicht verwalteten Leckströmen führten, die ebenfalls verstärkt wurden. Ich habe verschiedene Techniken angewendet, um damit umzugehen, musste sie aber immer anwenden. Sie verwenden zwei Fotodioden differentiell, daher denke ich, dass diese Probleme garantiert sind.
@amir Und sobald ich alles andere erledigt habe (stabilisierte Temperaturen über einen thermischen Kühlstapel) und / oder auch einstellbares Offset-Nulling, hörten die Probleme nicht auf. Nachdem ich die meisten elektronischen Probleme beseitigt hatte, wurde das System zu einem Detektor für kosmische Strahlung. Ernsthaft. Ich würde Pulse von 1000 bis 10000 Elektronen erhalten, die in Zeitabständen von 0,1 s bis 10 s auftauchen. Als ich Astronomiepapiere fand, die Geschwindigkeiten und Energien auf Meereshöhe dokumentierten, stimmte es überein. Also habe ich versucht, Teile radioaktiven Materials in die Nähe zu bringen, und zwar richtig! Ich konnte den Unterschied zwischen "on edge" und "on face" Positionen usw. erkennen.
Die Ausgabe Ihres DAC ist nur so stabil wie die Referenz, die Sie in den DAC einspeisen. Das hat nichts mit der Auflösung des DAC zu tun. Wenn die DAC-Referenz um x% driftet, driftet auch ihr Ausgang um x%.
@Amir, Sie möchten, dass die beiden Eingänge des Operationsverstärkers denselben Widerstand "sehen", der nach außen schaut. So wie OP1 zwei 100 kOhm effektiv parallel am - Eingang hat, legen Sie also 50 kOhm an den + Eingang und alles ist gut. OP2 hat drei 200-kΩ-Widerstände effektiv parallel am --Eingang, sodass Sie 66 kΩ am +-Eingang benötigen.
Das Anpassen der Widerstände, die von den beiden Eingängen ausgehen, bedeutet, dass eine Änderung der Vorspannung oder der Eingangs-Offsetströme die Ausgangsspannung nicht ändert.

Antworten (1)

Ich sehe mehrere Probleme im Zusammenhang mit Drift.

Zunächst einmal haben Sie einen 10 K Trimmpoti. Sie haben eine Temperaturdrift von 200 ppm C. Finden Sie die beste Einstellung des Trimmpotentiometers heraus und ersetzen Sie den größten Teil seines Werts durch Festwiderstände, 1 % oder 0,1 %. Stellen Sie das Trimmpotentiometer nach Möglichkeit auf 1 K oder 100 Ohm herunter und verwenden Sie Trimmpotentiometer der Serie 3396 von Bourns mit 25 Umdrehungen.

Das zweite Problem sind Widerstandspaare, die eine Differenzschaltung bilden, aber das Gegenstück der Widerstände sollte daneben liegen, sonst wird die Temperaturdrift verschlimmert. OP1 und OP2 sollten sich im selben Paket befinden.

Dritte. Verwenden Sie nach Möglichkeit driftarme Widerstände, Metallfilm 1 % oder 0,1 % Toleranz. Erkundigen Sie sich bei Caddock (Digikey / Mouser) nach ultrastabilen Widerständen mit einer Toleranz von 0,025 %, wenn ihre Auswirkung auf die Stabilität so wichtig ist.

Vierte. Werfen Sie diesen POS LM324 weg und erhalten Sie einen wirklich stabilen Operationsverstärker. Der LM324 ist eine jahrzehntealte Technologie. Es hat auch einen schlechten SNR-Wert. Stellen Sie sich einen jfet-Operationsverstärker der TL074-Serie vor, der die Rückkopplungswiderstände nicht herunterlädt. Schauen Sie sich auch die ultrastabilen Operationsverstärker der OPA-Serie an, obwohl die Kosten steigen werden.

HINWEIS: Sie sind in diesem Schema nicht sichtbar, aber sind Ihre Netzteile sehr stabil? Ist Ihr ADC Vref ultrastabil? Bei 12 Bit beginnen sich winzige Abweichungen und Fehler zu zeigen. Wenn Sie eine Bit-Locking-Verzerrung im ADC haben, fügen Sie rosa Rauschen ein, das 1/2 LSB der ADC-Vref entspricht.

Danke @Sparky256 für die Antwort. Ich würde deine Vorschläge aufnehmen und hier berichten.
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