Einleitung
Der TZA500 von Artifex Engineering ist ein präziser Transimpedanzverstärker (TZA bzw. TIA), der sehr kleine Ströme (pA–mA) von Sensoren wie Photodioden oder PMTs in messbare Spannungen umwandelt. Da solche Messungen häufig bei extrem niedrigen Signalpegeln erfolgen, kann eine Rauschunterdrückung für präzise Ergebnisse entscheidend sein.
Im Folgenden finden Sie eine detaillierte Erläuterung der besten Methoden zur Rauschunterdrückung beim Einsatz des TZA500 – einschließlich gerätetechnischer Auslegung, instrumentenbasierter Verfahren und Methoden zum Versuchsaufbau.
Inhaltsverzeichnis
Rauschunterdrückung durch Design
Elektromagnetische Störungen (EMI)
Die Verstärker der TZA-Serie sind so konzipiert, dass sie weitgehend unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen sind – ein wichtiger Vorteil in industriellen Umgebungen.
Zu den konstruktiven Merkmalen, die dazu beitragen, zählen:
- Differenzverstärker-Topologie (Option)
- Niederohmiger Eingangsknoten
- Kurze interne Signalwege
- Abgeschirmtes Gehäuse
Diese konstruktiven Maßnahmen reduzieren die Anfälligkeit gegenüber:
- HF-Einstreuungen
- Erdschleifen
- switching noise from nearby electronics.
Ground Isolation
Die Schnittstelle des TZA500 verfügt über getrennte analoge und digitale Massen, die im Normalfall extern nicht miteinander verbunden werden sollten.
Zweck:
- verhindert, dass digitales Schaltrauschen in die analogen Messsignale einkoppelt
- eliminiert Erdschleifenrauschen
Die Trennung dieser Massen reduziert Störungen, die durch digitale Kommunikationssignale verursacht werden.
Kompakter, direkt an der Quelle montierter Betrieb
Das kompakte Design des TZA500 ermöglicht eine Platzierung in unmittelbarer Nähe des Sensors, wodurch die Kabellänge minimiert wird.
Vorteile:
- Reduziertes kapazitives Rauschen
- Geringere EMI-Einstreuung
- Verbesserte Stabilität
Das ist besonders nützlich bei Photodioden oder Ionisationsdetektoren.
Gerätefunktionen zur Rauschunterdrückung
Differenzielle Eingangsrauschunterdrückung
Einer der wirksamsten Mechanismen zur Rauschunterdrückung im TZA500 ist die Option der differenziellen Eingangsstufe.
Prinzip
Im Differenzmodus werden beide Anschlüsse der Stromquelle aktiv von zwei Verstärkereingängen gemessen. Die Signale werden anschließend intern subtrahiert.
Ergebnis:
Da auch der Rückleitungspfad des Stroms gemessen wird, verdoppelt der Subtraktionsprozess das Signal, während identische Rauschanteile ausgelöscht werden.
- Signalanteile bleiben erhalten
- Rauschanteile, die an beiden Eingängen gleich sind, werden ausgelöscht
Dies eliminiert Gleichtaktrauschen, das typischerweise entsteht durch:
- Elektromagnetische Störungen (EMI)
- Netzteilrauschen
- Elektrische Umgebungseinstreuungen
Typische Anwendungen
- Photodiodenmessungen in verrauschten Umgebungen
- Fernmessungen mit langen Kabeln
- Industrielle optische Überwachung
Verdrilltes Differenzkabel (BR2-Steckverbinder)
Für entfernte Stromquellen unterstützt der TZA500 einen BR2-Steckverbinder, der die Verwendung eines geschirmten, verdrillten Kabelpaars ermöglicht.
Vorteile:
- Magnetfeldrauschen hebt sich im verdrillten Kabelpaar auf
- Reduzierte Einstreuung durch externe Störquellen
- Bessere Signalintegrität über längere Kabelstrecken
Dies reduziert das Rauschen bei der Messung entfernter Detektoren erheblich.
Die Wirksamkeit dieser Methode wird in unserem Dokument „Vergleich der Rauschpegel des TZA500 in BNC- und BR2-Version" veranschaulicht.
Auto-Null (Offset- und Dunkelstromunterdrückung)
Der TZA500 verfügt über eine Auto-Null-Funktion, die Offsets bis zu einem Äquivalent von 10 V am Ausgang ausgleichen kann. Diese Funktion kann per Software (bei USB-Steuerung) aktiviert oder bei Ansteuerung des Geräts über die Hardware-Schnittstelle hart geschaltet werden.
Anwendungszweck
Diese Funktion entfernt Gleichspannungs-Offsets, verursacht durch:
- Photodioden-Dunkelstrom
- Verstärker-Eingangsoffset
- Optische Hintergrundleistung
Funktionsprinzip
Diese Funktion speichert das gemessene Signal im Moment der Aktivierung und subtrahiert diesen Wert von allen nachfolgenden Messungen.
Zur Anwendung der Untergrundunterdrückung:
- Die zu messende Quelle blockieren oder ausschalten.
- Die Messung starten und die Auto-Null-Funktion aktivieren.
- Die zu messende Quelle freigeben oder einschalten.
Zu beachten ist, dass diese Lösung nur wirksam ist, wenn der Hintergrund-Offset konstant ist. Hintergrundquellen wie ein Photodiodensignal durch Raumbeleuchtung schwanken typischerweise mit 100 Hz oder 120 Hz und werden daher nur unvollständig unterdrückt.
Vorteile
- Ermöglicht die Erkennung kleiner Signalschwankungen
- Verbessert den Dynamikbereich
Typische Anwendungen
- Erkennung kleiner Signaländerungen um einen Gleichspannungs-Hintergrund
Bandbreitenbegrenzung (Tiefpassfilterung)
Rauschen in elektronischen Systemen nimmt typischerweise mit der Bandbreite zu.
Der TZA500 ermöglicht daher eine Bandbreitenreduzierung, um hochfrequentes Rauschen zu unterdrücken. Die Bandbreiteneinstellung kann per Software (bei USB-Steuerung) gewählt oder bei Ansteuerung des Geräts über die Hardware-Schnittstelle hart geschaltet werden.
Verfügbare Bandbreiteneinstellungen: 10 kHz (volle Bandbreite), 1 kHz, 100 Hz, 10 Hz
Reduzierte Bandbreite unterdrückt hochfrequente Rauschanteile und glättet das Ausgangssignal.
Rausch-Bandbreiten-Beziehung
Wo B = Bandbreite.
Somit reduziert die Reduzierung der Bandbreite um den Faktor 100 das Rauschen um ungefähr 10×. Beachten Sie, dass diese Methode der Rauschunterdrückung mit einer längeren Messzeit einhergeht.
Beispiel
Wenn Sie langsam schwankende optische Leistung messen (z. B. Laserdrift):
- Bandbreite setzen auf 10–100 Hz
- Das Signal wird viel stabiler.
Verstärkungsoptimierung
Der TZA500 bietet sechs wählbare Gain-Bereiche, Strömungen abdeckend von mA bis nA Pegel.
Die richtige Gain-Auswahl ist entscheidend für die Rauscheigenschaften.
zu geringe Verstärkung
- Signal klein im Verhältnis zur ADC-Auflösung → schlechtes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR)
Zu hoher Gewinn
- Verstärkersättigung
Beste Vorgehensweise
Wählen Sie den Verstärkungsfaktor so, dass:
Dies nutzt den größten Teil des dynamischen Bereichs des Verstärkers aus, ohne zu clippen. Bei Verwendung der mit dem Instrument gelieferten grafischen Benutzeroberfläche (GUI) kann der Automatikmodus aktiviert werden, der sicherstellt, dass die Verstärkerleistung innerhalb dieses empfohlenen Bereichs bleibt.
Digitale Mittelung und Abtaststeuerung
Der TZA500 digitalisiert Signale mit einem Onboard-ADC und kann Messwerte mit etwa streamen 1,5 kS/s.
Lärm kann reduziert werden durch digitale Mittelwertbildung:
Wobei N die Anzahl der im Mittelwert enthaltenen Datenpunkte ist. Die Rauschreduzierung skaliert dann wie folgt:
Beispiel:
Durchschnittliche Proben | Rauschunterdrückung |
4 | 2× |
16 | 4× |
100 | 10× |
Mechanische und optische Rauschreduzierung (externe Methoden)
Obwohl nicht Teil der Verstärkerelektronik, beeinflussen mehrere Techniken beim Versuchsaufbau die Rauschpegel erheblich.
Kurze Detektorkabel
Lange Kabel erhöhen die Kapazität und führen zu mikrofonischem Rauschen.
Optische Abschirmung
Für Photodioden:
- Umgebungslicht entfernen
- Streureflexionen eliminieren
- Optische Filterung nutzen, falls möglich
Temperaturstabilisierung
Dunkelstrom und Verstärker-Offsets driften mit der Temperatur.
Korrekte Erdung
Ein Einpunkt-Erdungssystem verwenden, um Erdschleifen zu vermeiden.
Zusammenfassung der Rauschunterdrückungsmethoden
Methode | Unterdrückter Geräuschtyp |
Differenzieller Eingang | Gleichtaktstörungen |
Autonull | Dunkelstrom und Gleichspannungsverschiebung |
Bandbreitenbegrenzung | Hochfrequentes elektronisches Rauschen |
Gewinnoptimierung | Verbessert SNR |
Twisted-Pair BR2-Kabel | EMI-Tonabnehmer |
Erdungsisolierung | Digital-/Masseschleifenrauschen |
Instrumentenkonstruktion | EMI-Unterdrückung |
Digitale Mittelwertbildung | Zufälliges Rauschen |
In der Praxis ist die wirksamste Kombination:
- Differenzieller Eingang
- Auto-Null zur Beseitigung des Dunkelstroms
- Reduzierte Bandbreite (10–100 Hz)
- Passende Verstärkungswahl
- Geschirmte, verdrillte Kabelpaare
Zusammen können diese Maßnahmen die Messstabilität bei der Erfassung von Signalen im Picoampere-Bereich um Größenordnungen verbessern.
About the Author:
Donovan Ellis
Product Specialist & Sales
Donovan Ellis hat Computertechnik in Hamilton, Ontario, studiert und arbeitet heute als Vertriebs- und Produktspezialist für Messinstrumente bei Artifex Engineering. Durch den täglichen Kontakt mit Kunden kennt er deren Fragen und Herausforderungen aus erster Hand – von der Konzeption und Planung bis hin zur Kalibrierung und dem Aufbau von Geräten kennt er die alltäglichen Probleme und Herausforderungen des Fachs.
