Analogtipp Kalibriermodul für schnelle Strom-Spannungs-Wandler

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Die Intensität von UV-, VIS- oder IR-Licht wird meist mit Photodioden oder PMTs gemessen. Schwankt das Signal zu stark für eine automatische Bereichsumschaltung, hilft eine Logarithmierung zur Dynamikkompression. Verstärker mit sukzessiver Begrenzung bieten konstante Bandbreite, rauschen aber. Rauschärmere Schaltungen nutzen die Kennlinie eines pn-Übergangs – deren Bandbreite hängt jedoch stark von Eingangsstrom und Quellkapazität ab.

Manche Aufgabenstellungen in der medizinischen Diagnostik oder der Physik erfordern dynamikkomprimierende Strom-Spannungs-Wandler, die signalunabhängig schnell und rauscharm sind. Dann werden proprietäre Lösungen aus sinnvoll gewählten Einzelkomponenten nötig. Diese weisen naturgemäß Exemplarstreuungen auf; auch Temperaturschwankungen und Alterung der Bauteile können die i-u-Kennlinie beeinflussen.

Eine typische Anwendung ist in Bild 1 skizziert: Bei der Durchflusszytometrie laufen die zu bestimmenden Teilchen im Flüssigkeitsstrom durch eine Kapillare und geraten einzeln in den Fokus eines Laserstrahls. Das aufblitzende Streulicht, dessen Intensität kubisch vom Teilchendurchmesser abhängen kann, wird von einem Photomultiplier (PMT) in kurze Stromimpulse umgesetzt.

Bildergalerie

Der logarithmierende i/u-Wandler – eine optimierte, diskret aufgebaute Schaltung – liefert Spannungsimpulse im mV- bis Voltbereich. Um aus den Messwerten präzise die Teilchendurchmesser zu bestimmen, sollte die gesamte Wandlerkennlinie regelmäßig und innerhalb <1 s nachgemessen und aktualisiert abgespeichert werden. Hierzu wird der Kalibrierstrom in jeder durch Probenwechsel bedingten Messpause dem Wandler anstelle von i_Eing. zugeführt.

Die in Bild 1 dargestellte Teilschaltung basiert auf stabilen Spannungs- und Widerstandswerten R1 bis R6. Sechs Konstantstromquellen mit abgestufter Steilheit werden beim Durchfahren von U_Kal. nacheinander aktiv, wobei sich i₁ bis i₆ rückwirkungsfrei addieren. Auch wenn U_Kal. aus einem D/A-Wandler mit einer Auflösung von nur 12 Bit kommt, überstreicht der Kalibrierstrom 5 bis 6 Dekaden.

Für Bild 2 durchfloss dieser testhalber einen 100-Ω-Widerstand. Kanal 2 gibt den Spannungsabfall wieder. Sobald U_Kal. (auf Kanal 1) eine der mit A bis F markierten Schwellwerte –1, –2, –3 V usw. passiert, wächst die Steilheit der Kurve dI_Kal./dU_Kal. um ½ Dekade an. Eine statische Messung mit 4½-stelligen Multimetern für U_Kal. und I_Kal. ergab im gesamten untersuchten Bereich von 0,1 µA bis 20 mA eine gute Übereinstimmung zwischen errechnetem und gemessenem Kalibrierstrom, mit relativen Fehlern von max. 0,2 bis 0,3%. Für die Bestimmung der Teilchendurchmesser resultiert daraus eine Unsicherheit von < 0,1%.

Zur Aufnahme der nachfolgend erläuterten Oszilloskop-Screenshots Bild 3 bis 5 war die Steuerspannung U_Kal. des Kalibriermoduls auf Null gesetzt. Der unterste Schwellwert –1 V garantiert, dass auch der Ausgangsstrom jetzt zuverlässig Null beträgt. Somit kann das Modul dauerhaft am Eingang des i/u-Wandlers angeschlossen bleiben und beeinträchtigt dessen Arbeit während des Messbetriebs auch dann nicht, wenn das Analogsignal U_Kal. aus dem D/A-Wandler eventuell von Rauschen oder Spikes begleitet sein sollte.

Für Bild 3 wurde eine zwischen 0 und –10 V alternierende 6-kHz-Dreieckspannung (dargestellt auf Kanal 1) über einen 10-kΩ-Reihenwiderstand an den Eingang des logarithmierenden Strom-Spannungs-Wandlers angelegt, so dass Ströme bis zu –1 mA flossen.

Kanal 2 (rot) gibt die Ausgangsspannung des Wandlers wieder. Die dynamikkomprimierende Wirkung der Kennlinie ist deutlich sichtbar. Hier wird ein Maximalwert der Ausgangsspannung von 4,5 V erreicht. Mit Eingangsströmen bis –20 mA würde der Ausgang bis auf 10 V gehen. Betreibt man den i/u-Wandler mit 15 V statt der vorgesehenen 12-V-Versorgungsspannung, kann er einen Eingangsstrom von maximal –32 mA verarbeiten, weil die Steilheit dU/dI der Kennlinie bei wachsendem Strom weiter abflacht.

Recovery Time: Die Testergebnisse

Das Ergebnis eines Tests auf Erholzeit ist in Bild 4 dargestellt. Dem Wandlereingang wurden parallel zwei Signale zugeführt:

• Eine 87-kHz-Rechteckspannung 0 V/–100 mV speist über 1-MΩ-Reihenwiderstand Stromimpulse von –100 nA in den Eingang. Dies simuliert eine sehr rasche Folge kleiner Teilchen, die die Kapillare eines Durchflusszytometrie-Messgeräts durchschwimmen. Der Ausgang des logarithmierenden Wandlers ist auf Oszikanal 2 (rot) dargestellt. Die Signalhöhe von 15 mV, geteilt durch 100nA, entspricht der maximalen Steilheit 150 V/mA der Wandlerkennlinie nahe Null.

• Ein zweites Generatorsignal (negative Impulse 0 V/–10 V, f = 24 kHz), dargestellt auf Oszikanal 3 (blau), treibt über eine BAT46 und 1-kΩ-Reihenwiderstand zusätzlich Stromimpulse von –10 mA in den Eingang. Der Wandler macht daraus Ausgangs-Peaks einer Höhe von 8 V. Schon einige µs danach sind die 10⁵-fach kleineren 100-nA-Impulse wieder messbar. Die Erholzeit des Verstärkers ist also kurz.

Ein damit aufgebautes Durchflusszytometer könnte auch Suspensionen aus Teilchen sehr unterschiedlichen Durchmessers bei hoher Durchflussrate messen und die Teilchen trennscharf den verschiedenen Größenkategorien zuordnen.

Bild 5 zeigt das Rauschen des logarithmierenden i/u-Wandlers. Sein Eingang bekam Stromimpulse von –10 nA und 1-µs-Dauer zugeführt (–10 mV vom Generator, dargestellt auf Kanal 3, über 1 MΩ Reihenwiderstand). Das entspricht 62500 Elektronen je Impuls, wie sie auch nach dem Eintreffen eines Einzelphotons von einem PMT selbst bei niedriger Verstärkung abgegeben werden könnten.

Der Kanal 2 wurde empfindlicher gestellt, um das Oszilloskop-Eigenrauschen relativ zum Signal zu dämpfen. Die Höhe der Ausgangsimpulse von 1,5 mV ist plausibel. Das Verstärkerrauschen beträgt knapp 0,5 mV_S-S, entsprechend einem Effektivwert von ca. 0,1 mV. Ein SNR von 1 würde also mit 0,7 nA großen Eingangsstromimpulsen erreicht. Die Spanne bis zur maximal verarbeitbaren Amplitude von 32 mA ergibt eine Messdynamik von 4,5*10⁷ (mehr als 7 Größenordnungen) bzw. 153 dB. Falls die Anwendung nicht die volle Bandbreite von DC bis 700 kHz benötigen sollte, kann durch moderate Tiefpassfilterung, vorzugsweise direkt am Eingang des nachfolgenden A/D-Wandlers, der Dynamikbereich auf bis zu 160 dB gesteigert werden. (kr)

* Michael Franke ist Inhaber der Elektronikmanufaktur Mahlsdorf. emmmf@posteo.de

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