Jump to content

    

предусилитель для пьезокерамического гидрофона

Датчик у вас широкополосный 50Гц-50кГц, поэтому, в случае ЗЧУ, его импеданс, практически, определяется его емкостью (7нФ по вашим данным) и существенно (с точки зрения шумов) зависит от частоты.

 

Так, при этом импедансе, на частоте 50 Гц токовый шум 200 fa будет давать добавку в 90 мкв (U=I * Xc(50 Гц)), а на 50 кГц этот вклад снизится до 90 нВ.

 

Соответственно вам следует выбирать опера с минимальным токовым шумом.

я пересчитал по вашей формуле для 50 Гц получается не 90мкв а 90 нВ, а для 50Кгц 90пВ соответсвенно.

Что получается на практике, на АЦП у меня приходит где то 100 семплов, это около 0,004577 В , у меня 2 каскада первый К(1)=31 второй К(2)=60, общий К=1860, получаем из этого 2,46 мкВ, далее делим на корень из полосы пропускания берем 60кГЦ ето примерно 244, в итоге получаем примерно 10 нВ ( в каком то иностарном источнике помоему от AD видел что еше надо делить на 1,56) ну и если поделить то получаем 6,4 нВ.

 

 

 

 

2 damasking: вот поэтому я и просил полную схему (с номиналами всех элементов), т.к было желание проверить в симуляторе.

в Обратной связи 220пФ и 1 МОМ ну и получаем частоту среза 680 Гц.

 

 

rudy_b не про то речь шла. Вы умножаете шумовой ток на импеданс датчика (U=I * Xc(50 Гц)) и считаете это как прибавку по шумам на выходе. Всё так если б датчик был подключен к НЕинвертирующему входу ОУ.

У ЗЧУ всё несколько иначе - там датчик подключен к инвертирующему входу, соответственно шумовой ток самого ОУ как и ток с датчика складываются, как в усилителе тока. При этом емкость датчика (и его импеданс, в разумных пределах ессно) не играет рояли.

Если считать отношение сигнал/шум, то емкость датчика тут опять же не причем, т.к если мы рассматриваем заряд генерируемый датчиком, то он не зависит от его емкости.

 

А вот с шумами напряжения всё гораздо хуже. Во-первых напряженческий шум ОУ усиливается им же в К=Сд/Cос раз (т.е как отношение емкости датчика к емкости обратной связи). Во-вторых, этот шум усиливается практически во всей полосе пропускания усилителя (т.е десятки кГц), в отличие от токового шума,который дает вклад только до частоты среза цепи ОС (обычно единицы-десятки Гц). И в третьих, внутреннее активное сопротивление датчика тоже создает тепловой (джонсоновский) шум, который также усиливается в К раз. Всё это в купе и дает эффект гораздо больший, чем токовые шумы ОУ, отсюда и результат - ОУ с малыми шумами по напряжению оказываются лучше.

 

Получая на практике результаты тоже начинаю склоняться что ОУ с малыми шумами по напряжению лучше в данном случае, перепробовав почти все ОУ с малыми шумами по току, можете посоветовать какие нибудь ОУ с малыми шумами по напряжению и умеренным входным током. Сам же конечно поищу, но возможно найдется вариант побыстрее.

 

ЗЧУ с малым входным током наверно необходимы для низкочастотных сигналов( какие нибудь детекторы ион частиц), там получается сопротивление очень большое(на низких частотах)

Share this post


Link to post
Share on other sites

Просто, для примера - расчет входного шума по моделям для AD8610 (JFET, 6nV, 5fA) и AD797(0.9 nV, 2pA).

Модели фабричные, Orcad PSpice

Спектральная плотность входного шума В/Sqrt(HZ)

post-40458-1530571131_thumb.png

Схема

post-40458-1530571155_thumb.png

 

Как видно, опер с меньшим шумовым током дает намного меньший шум на низких частотах, несмотря на то, что его напряженческий шум в 6 раз выше.

А опер с малым шумовым напряжением выигрывает на высоких частотах.

Share this post


Link to post
Share on other sites
Alexashka, вы неправы, попробуйте на модели, сами убедитесь.

 

Отрубите ОС в опере - какой будет сигнал? А включение ОС одинаково ослабит и сигнал и шум, т.е. отношение сигнал/шум не изменится, поскольку входной заряд - уже сумма входного сигнала и шумового заряда, обусловленного шумовым током опера.

 

PS. Посмотри тут, страница 20 и далее.

 

Ув. rudy_b, услышьте меня наконец :rolleyes: О чем я толкую! Я пытаюсь донести, что импеданс датчика в случае рассмотрения шумовых токов НЕ ИГРАЕТ РОЛИ.

Вот даже в Вашей же статье на стр.22 видим формулу передаточной функции для шумовых токов Gin:

post-4576-1530641018_thumb.jpg

Gin = 1/(2*pi*f*Cf), где Cf - емкость обратной связи. Т.е передаточная функция это просто импеданс конденсатора обратной связи. И вклад токовых шумов в выходное напряжение шума есть произведение этого импеданса на величину токовых шумов (и на корень из полосы частот). Никакой емкости датчика тут нет.

 

И второе, дело не в отношении тока датчика и тока (шумового) ОУ, с этим никто не спорит (конечно ток датчика должен быть заведомо больше шумового тока ОУ)...Я о том, что превуалируют шумы напряжения ОУ, поскольку они дополнительно усиливаются и интегрируются в более широкой полосе частот.

Я раньше тоже симулировал по моделям ОУ и получалось совсем не то, что в жизни. Теперь я просто взял и вставил в схему эквивалентные источники шума напряжения и тока для этих ОУ и получилось, что AD797 лучше (шумы 350мкВ в полосе 50кГц на выходе), чем AD8610 (шумы 930 мкВ)

post-4576-1530646599_thumb.jpg

Верхние графики это спектральное распределение шумов приведенное ко входу для обоих ОУ, нижние - интегральное значение шума на выходе. Обратите внимание на выделенный график вверху (более низкие шумы на низких частотах) -это AD8610 (на высоких частотах приближается к 6 нВ/Гц), ему соответствует нижний график с более высокими интегральными значениями.

 

2 damasking

Update!! Исправил цифры в симуляции.

Для указанной цепочки ОС (220пФ||1МОм) у меня по симуляции получается 48мкВ шумов на выходе в полосе 60кГц для AD8610 и 67мкВ для AD797. Если 48 разделить на усиление (31) и на корень(60000), то получим 6,3 нВ/sqr(Гц), что близко к спектральной плотности шумов напряжения AD8610, т.к токовые шумы у него мизерные. А вот AD797 c такой большой емкостью в ОС даёт хуже результат.

post-4576-1530646604_thumb.jpg

Хотел сравнить с Вашими цифрами и запнулся:

Что получается на практике, на АЦП у меня приходит где то 100 семплов, это около 0,004577 В
Это как понимать - "скв" или размах??

Короче, попробуйте AD797 Не знаю что посоветовать, нужно моделировать разные варианты...AD797 хорошо смотрится если уменьшить емкость ОС, еще можно посмотреть AD8597. #s3gt_translate_tooltip_mini { display: none !important; }

Share this post


Link to post
Share on other sites

Даже смешно, говорим одно и то же, но никак договориться не можем.

 

На вашем первом графике приведен не входной, а выходной шум. Входной шум получается делением на коэффициент усиления, который для ЗЧУ в рабочей полосе частот равен Сдатчика/Сос. При этом из формулы исчезает Сос и остается только емкость датчика.

 

Я говорил, про спектральную плотность входного шума, вы - про интегральный шум. Ессно, получаются совершенно разные вещи.

 

Если вы работаете в низкочастотном диапазоне - предпочтительны ОУ с малым токовым шумом, поскольку импеданс емкостного датчика велик и основной вклад дает токовый шум. Поставьте верхнюю граничную частоту 10 кГц - и AD8610 будет лучше AD797.

 

Если работать нужно в высокочастотном диапазоне - то предпочтительны ОУ с малым напряженческим шумом, поскольку импеданс датчика мал и основной вклад дает напряженческий шум.

 

Кстати, приятно что спектральные плотности шума рассчитанные разными способами практически совпадают.

Share this post


Link to post
Share on other sites
Хотел сравнить с Вашими цифрами и запнулся:

Это как понимать - "скв" или размах??

Короче, попробуйте AD797 Не знаю что посоветовать, нужно моделировать разные варианты...AD797 хорошо смотрится если уменьшить емкость ОС, еще можно посмотреть AD8597. #s3gt_translate_tooltip_mini { display: none !important; }

Да на выходе я смотрел размах, ну и спектральную картину(Фурье)

 

Кстати у меня на плате стоял кварц 32кГц и он шумел) поменял на chip кварц шум стал меньше, далее отпаял от платы посадил на провода и наклеил его на мягкую наклейку) шум ушел) интересно конечно то что датчик ловит этот шум)

 

СПАСИБО что представили свои расчеты Rudy_b и Alexashka, после ваших расчетов картина начала проясняться, то что для моего диапазона частот необходимо одновременно низкий шум напряжения для высоких частот и низкий токовый шум для низких частот. Думаю MAX4477 с его 4нВ и 0,5 фА будет неплохим вариантом, ну а так же конечно хотел бы попробовать всему рекомендованный ad745 с его 2,9нВ и 6,9 фА.

 

Если конечно не хватит этого уровня шумов то придется думаю, как вы говорили ставить ПТ с низким шумом напряжения а далее ОУ.

Ну а прямо сейчас занимаемся изменение конструкции датчика, потому что увеличение его чувствительности хотя бы в 2 раза даст выигрыш в 6 Дб.

Так же необходимо снятие импеданса датчика, все таки думаю у него более сложная модель чем просто рассматривать как конденсатор.

Edited by damasking

Share this post


Link to post
Share on other sites

Учтите, что в наших расчетах не учтен фликкер шум. Его параметры для оперов практически не оговорены, можно только ориентироваться по интегральному шуму в полосе 0.1-10 Гц который обычно приводится.

 

В стандартных датчиках входной полевик встраивается сразу в корпус датчика и в кабель выведен его сток.

Share this post


Link to post
Share on other sites
На вашем первом графике приведен не входной, а выходной шум. Входной шум получается делением на коэффициент усиления, который для ЗЧУ в рабочей полосе частот равен Сдатчика/Сос. При этом из формулы исчезает Сос и остается только емкость датчика.
Вот Вы о чем. Действительно, если смотреть приведенный ко входу результат, то проще рассматривать импеданс самого датчика без привязки к цепям ОС.

Вроде всё логично, с другой стороны датчик ведь является источником заряда, а не напряжения. И если перевести шум напряжения в зарядовый шум, то получим (просто умножаем напряжение шума на емкость датчика):

Qш = Uш*Сд, а т.к. приведенный ко входу Uш = Zд*iш = iш / 2πfCд, то

Qш = iш / 2πf - теперь уже емкость датчика сократилась, т.е эквивалентный шумовой заряд не зависит от емкости датчика.

 

Если конечно не хватит этого уровня шумов то придется думаю, как вы говорили ставить ПТ с низким шумом напряжения а далее ОУ.

Я бы сразу перешел на схему c полевиком на входе, единственное не забудьте сделать защиту затвора, т.к керамика при ударах способна генерировать неслабые киловольты.

 

Думаю MAX4477 с его 4нВ и 0,5 фА будет неплохим вариантом, ну а так же конечно хотел бы попробовать всему рекомендованный ad745 с его 2,9нВ и 6,9 фА.
Есть почти аналог макса AD8655, правда у него токовые шумы не дают, но они по определению низки, т.к это CMOS. У AD745 шумы 2,9нВ на 10кГц, у Ad8655 даже пониже - 2,7нВ.

Share this post


Link to post
Share on other sites
...

Вроде всё логично, с другой стороны датчик ведь является источником заряда, а не напряжения. И если перевести шум напряжения в зарядовый шум, то получим (просто умножаем напряжение шума на емкость датчика):

Qш = Uш*Сд, а т.к. приведенный ко входу Uш = Zд*iш = iш / 2πfCд, то

Qш = iш / 2πf - теперь уже емкость датчика сократилась, т.е эквивалентный шумовой заряд не зависит от емкости датчика.

...

Тут есть масса тонкостей, но, в целом, это именно так - сравнивается заряд сигнала и шумовой заряд.

 

Но заряд сигнала, если величина перемещения фиксирована (амплитуда механических колебаний не зависит от частоты), определяется емкостью датчика (в т.ч.). Если я запараллелю два датчика - заряд сигнала удвоится, емкость тоже, а шумовой заряд не изменится, т.е. отношение сигнал/шум возрастет.

 

А вот если фиксирована колебательная скорость, то все несколько иначе - перемещение начинает зависеть от частоты - при увеличении частоты перемещение (амплитуда механических колебаний) уменьшается, соответственно уменьшается и заряд сигнала. И вот тут, соответственно, сильно меняется спектральная зависимость сигнал/шум.

 

В реале всегда нечто среднее. + резонансные частоты (многочисленные) + демпфирование (якобы эффективное) - получается каша, которую рассчитать практически невозможно, проще измерить.

 

Share this post


Link to post
Share on other sites
Я бы сразу перешел на схему c полевиком на входе, единственное не забудьте сделать защиту затвора, т.к керамика при ударах способна генерировать неслабые киловольты.

 

Да, надо будет подумать, так как прибор работает в агрессивных условиях и ударяться будет думаю часто)

 

 

Есть почти аналог макса AD8655, правда у него токовые шумы не дают, но они по определению низки, т.к это CMOS. У AD745 шумы 2,9нВ на 10кГц, у Ad8655 даже пониже - 2,7нВ.

 

Да посмотрел на него) думаю он даже будет получше чем ad745 и max 4477 да и дешевле намного на том же chipdip, главное не нарваться на подделку

 

Тут есть масса тонкостей, но, в целом, это именно так - сравнивается заряд сигнала и шумовой заряд.

 

Но заряд сигнала, если величина перемещения фиксирована (амплитуда механических колебаний не зависит от частоты), определяется емкостью датчика (в т.ч.). Если я запараллелю два датчика - заряд сигнала удвоится, емкость тоже, а шумовой заряд не изменится, т.е. отношение сигнал/шум возрастет.

 

А вот если фиксирована колебательная скорость, то все несколько иначе - перемещение начинает зависеть от частоты - при увеличении частоты перемещение (амплитуда механических колебаний) уменьшается, соответственно уменьшается и заряд сигнала. И вот тут, соответственно, сильно меняется спектральная зависимость сигнал/шум.

 

В реале всегда нечто среднее. + резонансные частоты (многочисленные) + демпфирование (якобы эффективное) - получается каша, которую рассчитать практически невозможно, проще измерить.

 

Если я добавлю параллельно еще один датчик в моем случае увеличится ли сигнал/шум? Обязательно попробую после создания эталонного источника.

 

Учтите, что в наших расчетах не учтен фликкер шум. Его параметры для оперов практически не оговорены, можно только ориентироваться по интегральному шуму в полосе 0.1-10 Гц который обычно приводится.

 

В стандартных датчиках входной полевик встраивается сразу в корпус датчика и в кабель выведен его сток.

 

Для удаления низкочастотных шумов лучше добавить ФВЧ? помимо того что образуется в цепи обратной связи? Читал где то что в предусилителях от Bruel стоит дополнительный ФВЧ

Share this post


Link to post
Share on other sites
Если я запараллелю два датчика - заряд сигнала удвоится, емкость тоже, а шумовой заряд не изменится, т.е. отношение сигнал/шум возрастет.

В целом согласен, работа датчика как антенны - собирать энергию из пространства, поэтому чем больше размер, тем больше сигнал, ну и ёмкость тоже больше. Тут правда надо учитывать длину волны, например на 30кГц в воде длина волны всего 5см, так что если фронт падает под углом и между датчиками 2-3см, то они могут оказаться работающими в противофазе.

 

ЗЫ. Я тут придумал критерий как определить доминирующий фактор шума -ток или напряжение.

Если увеличить емкость ОС скажем в 10 раз, то в случае доминирования шумов напряжения выходной шум уменьшиться также в 10 раз (шумы падают во столько раз во сколько падает усиление). А если доминируют токовые шумы, то шум упадет в 3.2 раза (как корень из 10, т.к в 10 раз сузится полоса пропускания токовых шумов). Соответственно меняем емкость и смотрим во сколько раз снизится шум - если ближе к 10ке, то нужно принимать меры по снижению шума напряжения, если ближе к 3-ке, то значит токовые шумы - основная проблема нашего усилителя.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Что-то странное вы сказали, от емкости ОС входной шум практически не зависит, если отношение Сдатчика с Сос достаточно велико. Или имеется в виду полоса частот, обусловленная Сос и Rос?

 

Может проще снять шумовой спектр? Правда отличить токовый шум от фликкера вряд ли получится, но напряженческий шум будет хорошо отделяться от суммы токового и фликкера - у них спад с частотой.

Share this post


Link to post
Share on other sites
ЗЫ. Я тут придумал критерий как определить доминирующий фактор шума -ток или напряжение.

Если увеличить емкость ОС скажем в 10 раз, то в случае доминирования шумов напряжения выходной шум уменьшиться также в 10 раз (шумы падают во столько раз во сколько падает усиление). А если доминируют токовые шумы, то шум упадет в 3.2 раза (как корень из 10, т.к в 10 раз сузится полоса пропускания токовых шумов). Соответственно меняем емкость и смотрим во сколько раз снизится шум - если ближе к 10ке, то нужно принимать меры по снижению шума напряжения, если ближе к 3-ке, то значит токовые шумы - основная проблема нашего усилителя.

Респект! А откуда ёмкость в ОС знает характер источника шума? :rolleyes:

Share this post


Link to post
Share on other sites
Что-то странное вы сказали, от емкости ОС входной шум практически не зависит

Зачем входной? ВЫходной смотрим, вольтметром :)

 

Респект! А откуда ёмкость в ОС знает характер источника шума? :rolleyes:
Объяснил же вроде :laughing:

Емкость ОС изменяет частоту среза токовых шумов, если токовые шумы дают основной вклад в шумы на выходе усилителя, то изменение емкости (и соответственно изменение шумовой полосы) в 10 раз приведет к изменению интегрального шума в sqr(10) раз.

Если же основной вклад от шумов напряжения, то они возрастут в 10 раз, если емкость ОС уменьшить в 10 раз (т.к в 10 раз возрастет усиление по напряжению).

Если вклад равный от токовых и напряженческих шумов, то изменение будет гдето посредине между 3 и 10 :)

Можете проверить в симуляторе.

Share this post


Link to post
Share on other sites
Рекомендую поставить согласованную пару транзисторов типа 159НТ - есть современный аналог - и ещё один кристалл датчика, работающий вхолостую. Пара транзисторов включается по схеме дифференциального УПТ.

а для чего нужен еще один кристалл работающий вхолостую?

Share this post


Link to post
Share on other sites
а для чего нужен еще один кристалл работающий вхолостую?

Используется дифференциальная схема. На одном из кристаллов имеется полезный сигнал, а на другом отсутствует...

Edited by VNS

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now