[Stanislav 0]

...Источник сигнала может иметь сопротивление 1 - 100 кОм. На частоте 500 Гц. А поскольку оно емкостное, то таки да, на частоте в 5 Гц может быть и мегаОм. Высокое входное сопротивление, насколько я себе представляю, необходимо также для повышения помехоустойчивости. Важны также малые токи утечки, поскольку сопротивление электродов - в основном емкостное.

 

А вообще за 20 лет ИССКУСТВО схемотехники исчезает Главная задача - найти готовое и правильно сочленить

 

Для ширпотреба - да. Для уникальных изделий, к которым относится и дорогостоящая медицинская техника, готового не выпускают, либо это готовое стоит немеряно дорого. Схемы построенные "дедовским способом" показывают лучшие параметры, чем полностью на готовых ширпотребных микросхемах (те же инструментальные усилители - ИУ). Я видел в инете информацию об одном крутом американском ИУ, применяемом вероятно в гидроакустике на подводных лодках. Но цена у него была заоблачная.

Я тоже знаю (правда, косвенно) человека, который делал подобные усилители именно для таких целей, только за обычную советскую зарплату. После развала "фирмы" унёс свои секреты с собой на пенсию. Прошу прощения за оффтопик.

Задача действительно достойная. Самое главная сложность при проектировании таких изделий, как я понимаю, состоит не в том, чтобы обеспечить устойчивую повторяемость при соответствии заданным характеристикам, а в том, чтобы получить наилучшие характеристики для данного уровня развития элементной базы (ну, и схемотехники, сабо сомой).

Поэтому, при построении схемы и выборе её компонентов, следует на время забыть о стандартных решениях.

Во-первых, во входном каскаде применять типовые (пусть даже и очень качественные) ИУ и ОУ, на мой взгляд, очень не желательно. Лучше согласованной пары ПТ на одном кристалле (только с p-n переходом, не МОП) ничего и быть не может. ПТ должны быть выбраны с минимально возможными токами обратносмещённого перехода и максимально возможной крутизной характеристики в предполагаемой рабочей точке. Если есть возможность измерить эти параметры и отобрать приборы - это большой плюс.

Во-вторых, для ёмкостного датчика лучше всего применить усилитель заряда, это позволит избавиться от влияния ёмкости кабеля и получить равномерную АЧХ в заданном диапазоне. Если интересно, предлагаю совместно подумать, как его лучше всего сделать в дифференциальном исполнении.

После входного диф. каскада можно применить почти любой малошумящий ОУ. Только при заведении ОС нужно учесть возможность самовозбуждения и предпринять меры по её предотвращению.

Для улучшения подавления синфазного сигнала во входном каскаде можно применить малошумящий ГСТ. Про экранирование здесь уже говорилось. Для получения наилучшего результата целесообразно сделать его активным.

Наличие защитных диодов способно сильно ухудшить параметры усилителя. Если уж их ставить, придётся применять приборы с минимальными обратными токами. Отбор делать лучше при повышенных запирающих напряжениях. От входного фильтра лучше всего вовсе отказаться.

Есть ещё один подход, более сложный. Состоит он в применении гальванически развязанной входной цепи. При этом входной каскад можно сделать даже несимметричным (недифференциальным), что сильно расширит рамки доступной элементной базы и упростит схемотехнику непосредственно измерительной части усилителя, но ужесточит требования к паразитным емкостям вход-выход. Возможны также комбинированные решения.

[BWZ 0]

Многие "куски" схем выпускаются на одном кристалле - главное найти и выбрать.

Шумность самих кристаллов заметно понизилась, опять же - найти и выбрать.

РАЗМЕРЫ микросхем и напряжения питания очень значительно уменьшились - предварительные цепи стоит выносить к зондам и избегать наводок.

А вообще за 20 лет ИССКУСТВО схемотехники исчезает :angry2: Главная задача - найти готовое и правильно сочленить :(

По поводу выбора готового измерительного усилителя: нормирование шумов и зависимость КОСС от частоты не описывают все параметры усилителя. Кроме этого есть еще следующие: зависимость входного сопротивления от частоты, реакция на перегрузку по входу, линейность (искажения) при большом синфазном сигнале, ослабление помех по питанию, и т.д. в зависимости от назначения. Некоторые из них производитель не оговаривает вообще, что-то не полностью.

Собрал я как-то измерительный усилитель на AD8552 - прецизионных усилителях с МДМ, все по заявленым фирмой параметрам меня устраивало, но реально результаты были хуже, чем с OP27. При короткой, но большой импульсной наводке усилитель очень долго возвращался в нормальный режим, причем угадать его поведение было невозможно.

По поводу схемотехники - есть следующие варианты: измерительного усилителя тока, на 5 ОУ с подавлением очень большой синфазной составляющей, с оптроном в цепи ОС для компенсации большой постоянной составляющей по входу и ряд других мало описанных в литературе схем, на одном кристалле не выпускаются. Это не считая отдельного линейного двуполярного стабилизатора только для входного измерительного усилителя (и 78xx, 79xx сюда не подходят) - иначе выжать из него максимальные параметры не получится.

И самое главное, для чего и используется дифференциальный вход - борьба с помехами. Собраный усилитель обязательно проверяется на восприимчивость к различным видам помех. Иногда это сложнее самой разработки усилителя.

А еще очень сильно повлияла на сознание разработчиков навязчивая реклама многих производителей - выбери из таблицы готовое сочетание входного усилителя, АЦП и процессора и получи оптимальное решение своей задачи. Так вот я сйчас имею несколько разработок, где входной сигнал на уровне 1 мкВ при допустимой синфазной помехе до 10 В, усиление 1000 000. И только усиленный и отфильтрованный аналоговым фильтром сигнал измеряет АЦП.

[iit 0]

Так вот я сйчас имею несколько разработок, где входной сигнал на уровне 1 мкВ при допустимой синфазной помехе до 10 В, усиление 1000 000. И только усиленный и отфильтрованный аналоговым фильтром сигнал измеряет АЦП.

 

У меня подобные проблеммы. Полезный сигнал (0,6 - 10 Гц), основная помеха - 50 Гц до 10В (плюс куча помех с меньшими амплитудами - 30Гц; 0,05-0,3Гц). Сигнал подается на аналоговый фильтр и только затем на АЦП и корреляционный фильтр. Удалось добится уверенного приема при амплитуде полезного сигнала порядка 1мкВ, но возникла необходимость увеличения чувствительности аналогового фильтра раз этак в сто, т.е. для приема сигнала на уровне 0,1 - 0,01 мкВ. А в моем представлении это похоже на какое-то "шаманство". Господин, BWZ, если вас не затруднит, подскажите в каком направлении стоит покопаться (ссылочки на литературу, статейки)

[BWZ 0]

У меня подобные проблеммы. Полезный сигнал (0,6 - 10 Гц), основная помеха - 50 Гц до 10В (плюс куча помех с меньшими амплитудами - 30Гц; 0,05-0,3Гц). Сигнал подается на аналоговый фильтр и только затем на АЦП и корреляционный фильтр. Удалось добится уверенного приема при амплитуде полезного сигнала порядка 1мкВ, но возникла необходимость увеличения чувствительности аналогового фильтра раз этак в сто, т.е. для приема сигнала на уровне 0,1 - 0,01 мкВ. А в моем представлении это похоже на какое-то "шаманство".

А может дело вовсе не в помехах? Посмотрите, пожалуйста, уровень шума вашего входного усилителя в области частот ниже 10 Гц и умножьте его на общий коэфф. усиления схемы. Обычно НЧ шумы усилителей (1/f, фликкер-шум) достаточно большие и бороться с ними сложно.

[iit 0]

А может дело вовсе не в помехах? Посмотрите, пожалуйста, уровень шума вашего входного усилителя в области частот ниже 10 Гц и умножьте его на общий коэфф. усиления схемы. Обычно НЧ шумы усилителей (1/f, фликкер-шум) достаточно большие и бороться с ними сложно.

Естественно, что и в этом дело. Используем низкощумящие в полосе (0,1 - 10 Гц) операционники в первых каскадах. Фильтрация питания ОУ, граммотная разводка, экранирование - это все есть. Уровень входного сигнала одного порядка с уровнем шумов. Большего из текущей схемы и существующих элементов выжать не удастся, тут то и начинается "шаманство" (типа охлаждение фильтра для уменьшения тепловых шумов). Вот мне и хотелось узнать про подобные тонкости да хитрости.

[Stanislav 0]

Естественно, что и в этом дело. Используем низкощумящие в полосе (0,1 - 10 Гц) операционники в первых каскадах. Фильтрация питания ОУ, граммотная разводка, экранирование - это все есть. Уровень входного сигнала одного порядка с уровнем шумов. Большего из текущей схемы и существующих элементов выжать не удастся, тут то и начинается "шаманство" (типа охлаждение фильтра для уменьшения тепловых шумов). Вот мне и хотелось узнать про подобные тонкости да хитрости.

А каков импеданс датчика? И какие именно опера используются?.

[Tanya 4]

А может дело вовсе не в помехах? Посмотрите, пожалуйста, уровень шума вашего входного усилителя в области частот ниже 10 Гц и умножьте его на общий коэфф. усиления схемы. Обычно НЧ шумы усилителей (1/f, фликкер-шум) достаточно большие и бороться с ними сложно.

Естественно, что и в этом дело. Используем низкощумящие в полосе (0,1 - 10 Гц) операционники в первых каскадах. Фильтрация питания ОУ, граммотная разводка, экранирование - это все есть. Уровень входного сигнала одного порядка с уровнем шумов. Большего из текущей схемы и существующих элементов выжать не удастся, тут то и начинается "шаманство" (типа охлаждение фильтра для уменьшения тепловых шумов). Вот мне и хотелось узнать про подобные тонкости да хитрости.

Батарейное питание, тройное экранирование и термостатирование комнаты (подвала). Еще есть тоннель под Эльбрусом... Чтобы космическое излучение убрать. Радио, телевидение мобильная связь...

Кстати, на мобильник реагирует Ваше устройство?

Это все не совсем шутка. Вот для регистрации магнитного поля мозга СКВИДовским магнетометром почти так и делают. Охлаждать фильтр и входные каскады на ПТ можно довольно дешево жидким азотом.

[iit 0]

Сигнал снимается не с датчика, а с антен вбитых в землю. Передача идет из под земли - направленное бурение скважин. С двух километров начинается "геморой". Опера используем OP282GS (нужен малый шум и малое потребление).

По поводу комнаты термостатированной - мне понравилось - пойду начальству объясню, что для приема сигнала на буровую термостатированные комнаты завести надо :) .

Обычно стоит прибор в вагончике. На сотовый не реагирует. А вот про входные каскады на ПТ слышу второй раз, надо посмотреть, однако, что за штука.

Кстати попутно вопрос, как можно защиту по входам организовать? - сейчас ставлю супрессоры, но они понятно дело шумят, а куда деваться, если некоторые умники умудряются 80 В на вход подать, при 20 разрешенных.

[Electrovoicer 0]

Если Вы хотите чувствовать 10нВ, надо сильно подумать насчет криоохлаждения входного каскада на ПТ. Если говорить о 100нВ, то можно подумать о LC-фильтре высокого порядка и после него малошумящий сигма-дельта с встроенным PGA. Удивительно, но если устраивает его полоса частот, то шумы+дрейф будут заметно лучше, чем альтернативный инструментальный усилитель (это очень субъективно, но при необходимости можно показать)

Также я пока не смог уловить, как, используя на входах OP282, Вы уверенно принимаете полезный сигнал с амплитудой 1мкВ, хотелось бы поподробнее, что за сигнал, какой импеданс источника.

 

Насчет защиты... мне в электрометрии очень помогла низковольтная неонка на входе усилителя с входным током 10фА, который регулярно умирал от каждого чиха.

[BWZ 0]

Сигнал снимается не с датчика, а с антен вбитых в землю. Передача идет из под земли - направленное бурение скважин. С двух километров начинается "геморой". Опера используем OP282GS (нужен малый шум и малое потребление).

По поводу комнаты термостатированной - мне понравилось - пойду начальству объясню, что для приема сигнала на буровую термостатированные комнаты завести надо :) .

Обычно стоит прибор в вагончике. На сотовый не реагирует. А вот про входные каскады на ПТ слышу второй раз, надо посмотреть, однако, что за штука.

Кстати попутно вопрос, как можно защиту по входам организовать? - сейчас ставлю супрессоры, но они понятно дело шумят, а куда деваться, если некоторые умники умудряются 80 В на вход подать, при 20 разрешенных.

1.На OP282 ничего хорошего не получится. Он Rail-to-Rail по входу, причем даже в своем классе не малошумящий. В усилителях, где требуются высокие параметры используются только классические ОУ, всякие новшества типа Rail-to-Rail по качеству к ним даже не приближаются (слова тех. специалиста Analog Devices на семинаре после 3-х часовой рекламы Rail-to-Rail). Если нужны минимальные шумы и по сути УНЧ, то лучше всего подойдет AD797 (если уточните импеданс источника сигнала, возможно предложу другой вариант). Измерительный усилитель на одиночных ОУ на НЧ можно собрать самостоятельно без особых проблем.

Еще одно преимущество данного усилителя - малый уровень искажений. Малейшая нелинейность и две помехи с близкими частотами и большой амплитудой дадут массу комбинационных составляющих на НЧ, что будет воспринято как шум на выходе. Отличить такие помехи от собственного шума усилителя очень сложно, а бороться бесполезно.

Если этого все равно недостаточно и нужно выжать максимум. Тогда я бы поставил на входе усилителя коммутатор и менял полярность входного сигнала с частотой скажем 80 Гц. Далее усилитель и узкополосный фильтр, который должен подавить насколько возможно 50 и 100 ГЦ и усилить модулированный входной сигнал в несколько раз. Далее демодулятор, все возвращается обратно и обеспечивается дальнейшее усиление. Смысл всех этих фокусов - шумы около 100 Гц и ниже 10 Гц почти у всех ОУ сильно отличаются. Усилитель-фильтр на 80 Гц может усиливать незначительно - несколько больше именно этой разницы в шумах. Чем ниже частота полезного сигнала, тем больше выигрыш в соотношении сигнал-шум. В качестве входного коммутатора для ваших целей вполне пойдут герконовые реле, другие варианты намного сложнее.

Если задача все равно не решена, лучше заказать усилитель профессионалам, если таковые найдутся, а у вас хватит терпения и денег.

А искусство проектирования входных усилителей на мой взгляд состоит в том, что изменение хотя бы одного из начальных условий ведет не только к выбору другой элементной базы, но иногда и к использованию совершенно другой структурной схемы усилителя.

[Tanya 4]

Сигнал снимается не с датчика, а с антен вбитых в землю. Передача идет из под земли - направленное бурение скважин. С двух километров начинается "геморой". Опера используем OP282GS (нужен малый шум и малое потребление).

По поводу комнаты термостатированной - мне понравилось - пойду начальству объясню, что для приема сигнала на буровую термостатированные комнаты завести надо :) .

Обычно стоит прибор в вагончике. На сотовый не реагирует. А вот про входные каскады на ПТ слышу второй раз, надо посмотреть, однако, что за штука.

Кстати попутно вопрос, как можно защиту по входам организовать? - сейчас ставлю супрессоры, но они понятно дело шумят, а куда деваться, если некоторые умники умудряются 80 В на вход подать, при 20 разрешенных.

Помню, что были, но не помню какие именно СОВЕТСКИЕ полевики специально предназначенные для работы при низких температурах (жидкий азот?). Помню, что соседи использовали какие-то ширпотребные для этой же цели. Если их параллельно включить N штук, то шумов будет примерно в корень из N меньше... Вам ведь входная емкость на таких частотах не страшна? Опять же, пресловутые спецы из АнДев сами пишут, что минимальные шумы будут у комбинированных усилителей - когда на входе транзисторы дискретные с большими размерами.

[Stanislav 0]

Выбор ОУ, признаться, и меня озадачил. ОР282 - довольно древний опер, с большими шумами, и вовсе не rail-to-rail, ни по входу, ни по выходу, кстати.

AD797 обеспечит выигрыш перед супербета ОУ, если модуль импеданса источника <100-200 Ом. А шумы тока у него довольно велики.

Да простят мне все высказавшиеся, но выбор схемотехнического решения и эл. базы возможно только после того, как iit определится с параметрами источника (ну, и помехи тоже). Без этого всё очень напоминает гадание на кофейной гуще.

[Electrovoicer 0]

вообще-то да. параметры источника в студию, а то все советы пока чисто умозрительный характер носят

[iit 0]

вообще-то да. параметры источника в студию, а то все советы пока чисто умозрительный характер носят

 

Спасибо всем за помощь, Ваши ответы подтолкнули кое к каким мыслям.

 

 

Сопротивление источника от 300 Ом до 3 КОм.

 

Да, OP282 никак не Rail-To-Rail, и шумы у него в диапазоне 0,1 - 10 Гц 1.3 мкВ/р-р. Выбор на нем остановили из-за малого потребления. Первый каскад - диф усилитель на одном опере с коэффициентом передачи 0,43 (для увеличения входного диапазона).

Пробовали ставить OP213 (входной каскад на биполярных транзисторах) шум 120 нВ/р-р, но на выходе фильтра шумы почему-то оказывались больше чем при OP282.

[forever failure 0]

iit, можно узнать поподробнее про Вашу измерительную систему (размеры антенны, расстояние между электродами, характеристики геоэлектрического разреза и др.)? В том дело, что в этом частотном диапазоне

единицы микровольт скорее всего будут вызваны источниками внешними, по отношению к усилителю, в частности естественными полями. Так что может получится, что погоня за нановольтами - зряшная трата усилий, если у Вас нет средств выделения полезного сигнала из под уровня помех.

А вообще просто интересно узнать, какие средства используются для измерения и обработки этих сигналов, поскольку мне тоже приходиться иметь дело с измерением геоэлектричества.