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)>—

 

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One response

  1. -<(kmk)>- (blog author) says:


    Irgendwo ins Blaue klicken und wundern (wenn Flash-Geschichten unterstützt werden)…

    Dieses nette Aquarium wurde von hier eingeschleppt.
    —< (kaimartin)>—

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