Differentieller Differenzverstärker

screenshot of differential preamp

Dieses Layout gehört zum Entwurf für einen kleinen differentiellen Messverstärker. Er ist dafür gedacht, das Rauschen analoger Signale zu erfassen und verstärkt an ein Oszilloskop oder ähnlichem weiter zu geben. Der Anlass für den Bau dieses kleinen Geräts ist die Messung der Rauscharmut des Stromtreibers von Lilalaser. Die Linienbreite ist ein wesentliches Qualitätsmerkmal eines Diodenlasers — Je geringer, um so besser. Jedes Rauschen des Stromtreibers erhöht die Linienbreite. Also muss der Stromtreiber so rauscharm wie möglich sein. Der Messverstärker dient nun dazu, das Rauschen so weit zu verstärken, dass es von einer Digital-Analog-Wandlerkarte im Computer erfast werden kann.

Die Schaltung besteht im wesentlich im Anschluss eines integrierten Instrumentenverstärkers. Dennoch kommen einige Bauteile zusammen und der verfügbare Platz ist voll ausgenutzt. Die Hälfte der Bauteile dient dazu, die Versorgungsspannung zu erzeugen. Dazu kommt ein wenig “Luxus” in Form eines wähbaren Verstärkungsfaktors und eine Umschaltung zwischen AC- und DC-Betrieb. Je nachdem, ob der Innenwiderstand der Signalquelle hoch, oder niedrig ist, kann man unterschiedliche Instrumentenverstärker einsetzen. Dieser Luxus macht den Messverstärker auch für andere Anwendungen attraktiv. Ich werde ihn zu einem angemessenen Preis als eigenstädiges Produkt von Lilalaser anbieten. Ich bin gespannt, ob solches Messwerkzeug Kunden findet.

layout of a differential preamplifier

(einen schwülen Sommernachmittag später…)
So langsam macht sich eine gewisse Übung beim Verlegen der Leiterbahnen in der durch das Gehäuse vorgegenbenen quadratischen Form bemerbar. Das Ergebnis fällt absichlich ähnlich wie bei den Projekten der letzten beiden Blogeinträge aus. Es vermeidet ärgerliche Fehler, wenn Bauteile immer gleich orientiert angeordnet sind. Außerdem konnte der für die Stromversorgung zuständige Teil der Schaltung vom Photodiodenverstärker übernommen werden. Das bedeutet nebenbei die gleichen Bauteile. Das sollte die Einkaufsliste für den tatsächlichen Aufbau kurz halten.

Als Bild hier im Blog und erst recht während der Bearbeitung am 17″-Bildschirm sieht die Leiterplatte größer aus als sie hinterher wird. Tatsächlich ist die Platte mit 40×40 mm deutlich kleiner als ein Handteller.. Da die Hersteller gewisse Mindestmengen pro Auftrag haben, werden auch von den Prototypen gleich vier Stück angefertigt. Das ist erfahrungsgemäß eine gute Sache. Denn dann hat man Ersatz zur Hand, wenn es bei der ersten Probleme gibt, oder wenn es so gut funktioniert, dass sofort Bedarf nach mehr entsteht.

—< (kaimartin)>—

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post Minimaler Diodentreiber

layout for a simple laser diode driver

Laserdioden sind bekanntlich etwas mimosenhaft, was die Qualität ihrer Stromversorgung angeht. Es darf auf keinen Fall zu viel fließen, oder das gute Stück mutiert innnerhalb von Nanosekunden zu einer Leuchtdiode. Wenn man in den Katalogen der üblichen Optik-Anbieter blättert, findet man eine ansehnliche Auswahl an ausgewachsenen Stromversorgungen mit vielen Features und entsprechendem Preisschild. Nicht immer braucht man die Flexibilität, die so ein “großer” Stromtreiber bietet. Die Schaltungen, die zum Beispiel für Laserpointer gedacht sind, sind wiederum etwas starr auf genau diese Anwendung zugeschnitten.

Das links abgebildete Layout gehört zu einem Entwurf für einen Stromtreiber, der bei einfacher Schaltung sicher im Bertrieb an einem Netzteil ist. Der DC-Strom kann mit einem Trimmpotentiometer zwischen 5mA und 500 mA eingestellt werden. Außerdem verfügt der Treiber über einen Modulationseingang, mit dem Strom eine Modulation aufgeprägt werden kann. Die maximale Frequenz dieser Modulation sollte bei einigen zig MHz liegen. Damit ergibt sich ein Werkzeug, mit dem ich die Funktion des letzte Woche entworfenen Photodiodenverstärkers testen kann.

Nachdem der Photodiodenverstärker Platz in einem recht kleinen, quadratisches Alugehäuse gefunden hatte, habe ich auch den Lasertreiber in dieses Format eingepasst. Der Anschluss der Laserdiode ist kompatibel zu den im wissenschaftlichen Umfeld verbreiteten Lasern der Toptica AG und der Sacher GmbH. Die Stromversorgung kommt wieder aus einem Steckernetzteil über einen RIA-Stecker. Wie immer, bin ich gespannt, ob das Ding im realen Leben auch das tut, was ich mir in der Planung vorstelle.

—< (kaimartin)>—


post Dichteste Packung

pcb of photo diode preamp, autorouted

Eins der wichtigeren Verbindungsstücke zwischen Licht und Elektronik ist ein Photodiodenverstärker. Im Idealfall vereint er hoher Verstärkung mit verschwindendem Eigenrauschen über eine hohe Bandbreite von DC bis in den mehrstelligen MHz-Bereich. Mit einfachen Schaltungen erreicht man dabei schnell das Ende der Fahnenstange. Phil Hobbs hat in einem Artikel in Optics & Photonics News eine Schaltung vorgestellt, die mit drei speziell ausgewählten Transitoren direkt an der Photodiode die Grenze des Möglichen deutlich verschiebt. Das hat mich gereizt, daraus einen kompletten Photodiodenverstärker zu bauen.

Als kleine Besonderheit der Verstärker einen getrennten Ausgang für den DC-Anteil haben. Das ist praktisch zur Justage, während die eigentlich Messung mit schnell moduliertem Licht erfolgt. Ebenfalls aus praktischen Gründen sollte das Gerät mit einer einzelnen Versorgungsspannung auskommen. Dann kann man es mit einem preiswerten Steckernetzteil betreiben. Damit die Signale nicht von elektromagnetischen Störungen beeinträchtigt werden, ist ein schirmendes Gehäuse aus Metall Pflicht. Das Ganze sollte außerdem möglichst klein und kompakt aufgebaut, um auch unter beengten Laborverhältnissen einsetzbar zu sein.

Also habe ich optimistisch das kleinste ab Katalog erhältliche Aludruckgussgehäuse eingeplant und die Schaltung nach allen Regeln der Kunst mit geda entworfen. Dabei sind so viele Bauteile zusammengekommen, dass sie gerade so eben in den vorhandenen Platz passen. Nachdem alle Bauteile untergebracht waren, habe ich das Projekt dem Autorouter von geda zum Fraß vorgeworfen. Das Ergebnis sieht man oben als Screenshot. Die grünen Linien markieren die 13 Verbindungen, die der Autorouter nicht geschafft hat. Der Autorouter hat sich dabei selber den Weg abgeschnitten. Leider bleibt damit nichts anderes übrig, als die Verbindungen von Anfang an von Hand zu legen.

layout of photo diode preamp, routed manually

(…einige Mausschubserstunden später…)
Mit von Hand verlegten Leitungen sieht die Leiteplatte so aus, wie im Bild links zu sehen (Größere Version mit Mausklick aufs Bild). Seit ein paar Monaten kann das Elektronik-Program, das ich benutze, photo-realistische Bilder erzeugen. Die Leiterbahnen sind eher breiter als beim Autorouter gewählt. Außerdem ist auf der Rückseite eine große Massefläche, die nur von wenigen Leiterbahnen durchbrochen wird. Beides ist ein wenig Analog-Elektronik-Voodoo mit der Unterstellung, dass dickere Leitungen weniger Widerstand bedeuten. Die entscheidende Verbesserung ist aber die Abwesenheit von Luftlinien. Das heißt, alle im Schaltplan vorgesehenen Verbindungen sind eingeplant und das Layout ist fertig!
Ein paar Schönheitsreparaturen könnten noch angebracht werden — Zum Beispiel gedrehte, oder überlappende Schrift. Außerdem sollte noch irgendwo geschrieben sein, um was es sich handelt. Und das Stichwort “Lilalaser” wäre nicht schlecht. Auf der Oberseite ist dafür offensichtlich kein Platz. Also kommt es auf die Rückseite. Anschließend werde ich das Layout an einen Leiterplattenhersteller schicken. In knapp zwei Wochen kommen dann per Post die fertigen Leiterplatten. In der Zwischenzeit ist Zeit, die Bauteile zu kaufen. Ich bin jetzt schon gespannt, ob der Verstärker so gut funktioniert, wie geplant.

layout of photo diode preamp, modified

(Noch zwei Tage später…)
Wenn man es sich zeitlich leisten kann, lohnt es sich, einen Entwurf etwas sacken zu lassen und nicht sofort in die Fertigung zu schicken. So auch in diesem Fall. Bei einem zweiten Blick auf das Layout fiel auf, dass der Anschluss der Versorgungsspannung sich etwas hakelig gestalten würde. Als Konsequenz ist nun ein “richtiger” Steckverbinder vorgesehen, der außerdem weiter nach innen gerückt ist. Um Platz dafür zu schaffen, mussten etwas Verschiebepuzzle mit den umliegenden Bauteilen gespielt werden. Zum Glück war es anschließend immer noch möglich, alle erforderlichen Verbindungen auf der Leiterplatte zu verlegen. Das Ergebnis geht nun an den Leiterplattenhersteller. Vermutlich lauert immer noch irgendwo der eine oder andere Design-Fehler. Das weiß man immer erst hinterher. Knapp 75 € für die Herstellung von vier Prototypenlatinen bei Basista sind als Investition auch nicht die Welt.

image of the real pdhobbs pcb

(nach acht Arbeitstagen…)
Der UPS-Mann brachte einen etwas dickeren Umschlag, in dem die bestllten Leiterplatten zusammen mit einer Rechnung steckten. Es ist immer wieder nett, wenn reine Plaung und Design am Bilsdschirm sich in ein reales Objekt verwandelt.
Bei der Bestellung hatte ich auf die weiße schrift verzichtet, denn das spart etwa 15 €. Ansonsten muss man schon genauer hinschauen, um Unterschiede zwischen den virtuell erzeugten Bildern oben und dem Photo vom realen Objekt zu erkennen. Die Innen-Ecken sind am realen Objekt aus technischen Gründen ein wenig gerundet. An den ganz kleinen Löchern erkennt man einen leichten Versatz des Lochs zum Metallring nach links. An den Bohrungen gibt es unregelmäßige, helle Grate. Außerdem ist die Beleuchtung nicht ganz gleichmäßig und das Makroobjektiv der Photokamera krümmt etwas die Kanten der Leiterplatte.

Als nächstes werde ich die Bauteile für dieses und anderen in den letzten Wochen erstellten Kleinprojekte beschaffen.

—< (kaimartin)>—


post fehlermeldungen

Fehlermeldung mit dem crosscompilierten geda:

set GEDADATA=c:\geda\share\gEDA
set TMP=c:\tmp
set HOME=c:\
PATH %PATH%;c:\geda\bin

gEDA/gschem version 1.4.1.20080929
gEDA/gschem comes with ABSOLUTELY NO WARRANTY; see COPYING for more details.
This is free software, and you are welcome to redistribute it under certain
conditions; please see the COPYING file for more details.
In unknown file:
?: 0* [primitive-load “c:\\geda\\share\\gEDA/c:\\geda\\share\\gEDA\\scheme/geda-font.scm”]
Unknown file: Invalid argument: “c:\\geda\\share\\gEDA/c:\\geda\\share\\gEDA\\scheme/geda-font.scm”
Read system-gafrc file [c:\geda\share\gEDA\system-gafrc]
Did not find optional ~/.gEDA/gafrc file [c:\\.gEDA\gafrc]
Did not find optional local gafrc file [.\gafrc]

In unknown file:
?: 0* [primitive-load “c:\\geda\\share\\gEDA/c:\\geda\\share\\gEDA\\gschem-darkbg”]
Unknown file: Invalid argument: “c:\\geda\\share\\gEDA/c:\\geda\\share\\gEDA\\gschem-darkbg”
Read system-gschemrc file [c:\geda\share\gEDA\system-gschemrc]
Did not find optional ~/.gEDA/gschemrc file [c:\\.gEDA\gschemrc]
Did not find optional local gschemrc file [.\gschemrc]
Read init scm file [c:\geda\share\gEDA\scheme\gschem.scm]
New file [C:\geda\bin\untitled_1.sch]
Tried to set the sensitivity on non-existent menu item ‘Edit/Cut Buffer’
Tried to set the sensitivity on non-existent menu item ‘Edit/Copy Buffer’
Tried to set the sensitivity on non-existent menu item ‘Edit/Edit…’
Tried to set the sensitivity on non-existent menu item ‘Edit/Edit Text…’
Tried to set the sensitivity on non-existent menu item ‘Edit/Copy Mode’
(…snip…)
Tried to set the sensitivity on non-existent menu item ‘Buffer/Paste from 2′
Tried to set the sensitivity on non-existent menu item ‘Buffer/Paste from 3′
Tried to set the sensitivity on non-existent menu item ‘Buffer/Paste from 4′
Tried to set the sensitivity on non-existent menu item ‘Buffer/Paste from 5′

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