[Tuvalu 1]

7 часов назад, patron сказал:

Аааа - меня тогда смутила фраза "..Истоки объединить и через конденсатор подключить на инв. вход..."  - очевидно очепятка.

Спасибо, надо посимить.

Точно, опечатка! Тупая, бессмысленная и беспощадная. Бывает...

[syuha 0]

Спецы, есть схема на ОУ с активными фильтрами и неинвертирующими усилителями. Есть задача в рассчете точности и ошибок, вносимых цепью. Я знаю что в Spice есть команда wc (worst case) для симуляции цепи для номиналов компонентов в диапозоне их допуска, например здесь:

https://www.analog.com/en/technical-articles/ltspice-worst-case-circuit-analysis-with-minimal-simulations-runs.html

Но не вижу как эту (или какую другую) команду применить чтобы задать диапозон параметров ОУ? Они ведь тоже меняются, например с температурой. Или резисторы и прочие обвязочные компоненты дают больший вклад и не стоит заморачиваться?

[patron 1]

On 6/8/2020 at 6:48 PM, Tuvalu said:

По шумам обе схемы будут оптимальны /идеальны (для вашей задачи, по крайней мере).

Пересимил и с транзистором на выходе и с ОУ.

Конечно пришлось поставить резисторы в истоки полевиков вместо источников смещения. Оптимизировал номинал этих резисторов по симметричному входу в ограничение для конкретных транзисторов - и те, что в истоках и тот, что в коллекторе вых. транзистора под конкретное напряжение питания.

Дело в том, что я ограничен и в напряжении питания - не более 6 - 8 вольт и в токе потребления - не более 5 - 6 мА. Всё сходится к тому, что с ОУ вроде не влезает в мои допуски.

 

Но сейчас главная непонятность - как сравнивать все варианты с точки зрения соотношения с/ш.

Если резисторы в истоках не шунтировать ёмкостями, то суммарное усиление едва превышает 2, что неоптимально с точки зрения шумов, но по допустимым искажениям - не хуже 1% и позволяет пропустить до 50 мВ вх. сигнала.

Если шунтировать резисторы в истоках, то суммарное усиление подскакивает до 40 и по искажениям не более 1% на вход нельзя подавать более 10 мВ сигнала, что тоже не есть good с точки зрения перегрузочной способности.

 

Симулятор показывает суммарный уровень шумов на выходе и тут вопрос : чтобы получить уровень шума, приведённый ко входу, этот уровень надо делить на суммарный коэффициент усиления или его надо будет ещё и поделить на 4 (по числу полевиков), чтоб иметь уровень шума, приведённый ко входу одного транзистора ? И вообще как тогда сравнивать варианты по соотношению с/ш с разным количеством входных транзисторов ?

 

Вот два варианта : с блокировочными конденсаторами и без оных

 

 

 

Изменено 21 июня, 2020 пользователем patron

[patron 1]

Ну и главная задача - даёт ли выигрыш по соотношению с/ш схема с суммированием синфазных сигналов от нескольких сенсоров по предложенной схеме по сравнению с хорошей малошумящей схемой - например с обсуждавшейся выше :

 

[Tuvalu 1]

21.06.2020 в 12:00, patron сказал:

Симулятор показывает суммарный уровень шумов на выходе и тут вопрос : чтобы получить уровень шума, приведённый ко входу, этот уровень надо делить на суммарный коэффициент усиления или его надо будет ещё и поделить на 4 (по числу полевиков), чтоб иметь уровень шума, приведённый ко входу одного транзистора ?

Вот, симуляция в МК-12 шума для одного, 2-х и 4-х датчиков/усилителей. Там найдёте ответы на эти и другие подобные вопросы по теме.

Пояснения: усилители и сумматоры идеальные - т.е. бесшумные. Для того, чтобы "привязаться" к горизонтальной линии белого (теплового) шума некоего реального усилителя, включены резисторы на входе, они эмулируют шум типовых JFET-ов.

Верхний график - приведённое ко входу напряж. шума, нижний - шум на выходе, размерность нВ/^Гц.

Обратите внимание: с ростом кол-ва датчиков (n) шум на выходе растёт (в корень из n), а приведённое ко входу - уменьшается (тоже в корень из n).

Итак, выигрыш при включении n-датчиков безусловно есть - уровень на выходе повышается в n-раз, а шум - только в корень из n. Каждое удвоение кол-ва n (напрмер, с 10 до 20) даёт теоретический прирост С/Ш всего на 3 дБ.

 

Ещё раз призываю симулировать на качественном уровне (с помощью идеальных моделей). Множество вопросов отпадёт само собой.

 

 

21.06.2020 в 12:00, patron сказал:

Если резисторы в истоках не шунтировать ёмкостями, то суммарное усиление едва превышает 2, что неоптимально с точки зрения шумов, но по допустимым искажениям - не хуже 1% и позволяет пропустить до 50 мВ вх. сигнала.

Если шунтировать резисторы в истоках, то суммарное усиление подскакивает до 40 и по искажениям не более 1% на вход нельзя подавать более 10 мВ сигнала, что тоже не есть good с точки зрения перегрузочной способности.

Если, действительно, Кус=2 мало, а 40 - много, то подключите конденсаторы через добавочные резисторы, и получите что-то среднее по Кус и линейности. Кстати, для снижения искажений можно применить ус. каскад по схеме JFET + p-n-p с ООС.

 

 

 

 

Изменено 29 июня, 2020 пользователем Tuvalu

[patron 1]

On 6/29/2020 at 10:45 AM, Tuvalu said:

выигрыш при включении n-датчиков безусловно есть - уровень на выходе повышается в n-раз, а шум - только в корень из n. Каждое удвоение кол-ва n (напрмер, с 10 до 20) даёт теоретический прирост С/Ш всего на 3 дБ.

- интуитивно я так и предполагал, но хотелось подтвердить это на симуляторе. Спасибо за подтверждение.

Т.е. применение 4-х датчиков даёт 4-х кратое увеличение выхода - т.е. 12 дБ - это вроде как логично, а шум вырастет только на 6 дБ, поскольку шумы некореллированы. Итого выигрыш с/ш составит 6 дБ - ощутимое улучшение.

Я пользуюсь LTSpice - не знаю, есть ли там готовые идеальные модели или что-то надо лепить.

Quote

Если, действительно, Кус=2 мало, а 40 - много, то подключите конденсаторы через добавочные резисторы, и получите что-то среднее по Кус и линейности. Кстати, для снижения искажений можно применить ус. каскад по схеме JFET + p-n-p с ООС.

Именно к такой схеме я и пришёл : поделил истоковые резисторы и зашунтировал нижнюю часть. Дальше надо будет поработать с оптимизацией схемы.

[patron 1]

Кстати, где-то читал, что для получения наилучшего с/ш входной полевик надо ставить в усилительный режим (не повторитель) с коэфф. усиления порядка 10. 

У вас идеальные у-ли имеют Ку = 10 - это неслучайно ? 

[Tuvalu 1]

14 часов назад, patron сказал:

Кстати, где-то читал, что для получения наилучшего с/ш входной полевик надо ставить в усилительный режим (не повторитель) с коэфф. усиления порядка 10. 

Не существует какого-либо определённого оптимального значения или диапазона значений Кус первого каскада. Зависит от многих факторов.

1) Если привед. ко входу напряж. шума ПТ значительное, а у ОУ 2-го каскада существенно меньше, то ПТ можно включать хоть повторителем. Яркий пример - профессиональные конденсаторные микрофоны, подавляющее число типов которых содержит просто ПТ-повторитель. Логика в этом имеется, т.к. шум используемых типов ПТ (for impedance converters или т.п. применений) намного больше такового в мик-преампах /микшерах, даже недорогих. Например, в старых Берингерах применялись 2SB737, а у них шум 0,55 нВ/^Гц.

 

2) В вашем случае по экономическим соображениям второй каскад лучше собрать не на супер-малошумящих (и дорогих) ОУ, вроде AD797, OPA211 и т.п., а на дешёвом, и при этом хорошем NE5534 (3,5 нВ). Поэтому, для того, чтобы его шум сильно не влиял на конечный результат, Кус первого каскада желательно сделать... около 10, где-то.

 

Прикидочный расчёт для мин. Кус простой. Приведите шум ОУ ко входу всей схемы (разделите его на Кус  первого каскада). Далее, посчитайте ср. квадр. сумму шума - извлеките корень из суммы квадратов шума ОУ и шума вх. каскада. Посмотрите, насколько общий шум больше шума только 1-го каскада. Если устроит, то ОК, если плохо, то увеличивайте Кус или применяйте менее шумящий ОУ. Скажем так, 1-2 дБ разницы - это нормально, ухо плохо различает такую разницу. В симуляторе всё это делается на раз. Главное, чтобы модели в части шума были достоверными, а то часто они слишком оптимистичны. Но их легко править. Да, хоть последовательным резистором, как на моей последней схеме.

 

3) В случае каскодной схемы всё получается "автоматом", так сказать. Просто, выбирайте малошумящий БТ для низкоомных источников (с небольшим распределённым r базы и задавайте ток коллектора от 0,5 до 2 мА. Типы найдёте в схемах микрофонных преампов. Некоторые типы подобных тр-ров я, вроде, уже озвучивал в этой теме). Иначе говоря, подобный БТ в такой конфигурации  не будет ограничивающим С/Ш фактором.

Другое дело, что надо что-то делать с шумом резистора (1 кОм) в истоке, ведь это целых 4 нВ/^Гц. Чтобы минимизировать избыточный шум ПТ-части схемы, придётся смириться с большим Кус схемы с заземлённым по переменному току истоком. Либо, применять схемы с глубокой ООС, которые с намного меньшими сопротивлениями резисторов ООС обеспечат желаемый Кус с существенно меньшим КНИ. Но тут упираемся в потребление, что для стандартного фантомного питания является узким местом, поэтому всё это выливается в весьма нетривиальную задачу. Короче, искусство схемотехники.

 

14 часов назад, patron сказал:

У вас идеальные у-ли имеют Ку = 10 - это неслучайно ? 

Просто, так наглядней - на 10 делить проще. Но и с точки зрения реальной схемотехники - это где-то так и выбирается. Ну, очень примерно...

 

Изменено 2 июля, 2020 пользователем Tuvalu

[dxp 33]

15 часов назад, Tuvalu сказал:

1) Если привед. ко входу напряж. шума ПТ значительное, а у ОУ 2-го каскада существенно меньше, то ПТ можно включать хоть повторителем. Яркий пример - профессиональные конденсаторные микрофоны, подавляющее число типов которых содержит просто ПТ-повторитель. Логика в этом имеется, т.к. шум используемых типов ПТ (for impedance converters или т.п. применений) намного больше такового в мик-преампах /микшерах, даже недорогих.

Вот тут немного непонятно. Если первый каскад шумный, то разве логично усиление переносить на следующие каскады? Они ведь будут усиливать шумы этого первого шумного каскада, даже если сами имеют шумы ноль (в идеале). Разве не будет более правильным как раз в первом каскаде и постараться сделать максимальное усиление, чтобы "оторваться" от шумов (понятно, что первый каскад свои шумы тоже усиливает, но хотя бы шумы от нагрузки в усиление вроде не попадают)?

[vervs 24]

2 hours ago, dxp said:

Вот тут немного непонятно.

Скорее всего дело не только в шуме - каскад на ПТ с усилением будет иметь бОльшую в Ку раз нелинейность по сравнению с повторителем на ПТ.

[Tuvalu 1]

03.07.2020 в 06:20, dxp сказал:

Вот тут немного непонятно.  Разве не будет более правильным как раз в первом каскаде и постараться сделать максимальное усиление, чтобы "оторваться" от шумов (понятно, что первый каскад свои шумы тоже усиливает, но хотя бы шумы от нагрузки в усиление вроде не попадают)?

Вы сами себе и ответили: "понятно, что первый каскад свои шумы тоже усиливает". Именно. Я привёл прикидочный расчёт в пункте 2). Можете подставить реальные значения и посчитать выгоду "не повторитель, а усилитель". Например, "микрофонные" JFET-ы имеют напряж. шума примерно 3...5 и даже более нВ/^Гц. Плюс к этому, присутствует ощутимый НЧ фликкер-шум транзистора, плюс, сильное действие тока шума даже очень большого вх. резистора - максимум встречается 1-2 ГОм. Ёмкость типового капсюля - 75 пФ. В симуляторе хорошо видно, как этот шумовой ток, протекая по ёмкостному сопротивлению капсюля, создаёт напряжение шума, которое начинает расти, начиная примерно от 1 кГц и до самых НЧ с подъёмом 6 дБ/окт.

 

Не стоит путать шумовой ток с напряжением шума! С током шума всё наоборот - чем больше R, тем меньше этот ток. Конечно, выпускаются резисторы аж до 100 ГОм, но такой микрофон будет крайне нестабильным, т.к. изоляция должна быть беспрецедентно качественной. Притом, даже дыхание будет хаотически понижать это сопротивление, что вызовет шуршание, шум-грохот типа "перекатывания валунов" и т.п. Не говоря о банальным загрязнением, которое со временем проявляется во многих микрофонах с "обычным" R 1 ГОм.

А учитывая особенности слуха - пониженную чувствительность на НЧ, этот НЧ-шум - вообще небольшая проблема, поэтому никто и не заморачивается с много-ГОмными R.

Проф. мик-преамп где-то 0,5...1 нВ/^Гц.

Если всё это учесть и посчитать варианты, то окажется, что выгода совсем небольшая. Поэтому даже самые топовые производители микрофонов, вроде Neumann, AKG и т.п., ограничиваются повторителями. Когда-то схемы строились на одном ПТ или ПТ+БТ, в наше время повторители стали очень сложными, максимально линеаризованными. Встречаются, конечно, и усилители, но редко.

 

03.07.2020 в 06:20, dxp сказал:

но хотя бы шумы от нагрузки в усиление вроде не попадают)?

Вот это совсем не понял.

 

---------04-07-2020:

Я тут подумал, что для прикидок проще будет сравнивать шум на выходе первого каскада с приведённым ко входу шумом второго каскада. Например, имеется ПТ-повторитель с шумом 5 нВ/^Гц. Т.к. Кус чуть меньше 1, то это значение можно считать и шумом на выходе. Далее, сравниваем с нормальным вх. каскадом про-мик-преампа (0,5...1 нВ). Либо с часто встречающимся входным каскадом на NE5534 (3,5 нВ только ОУ, плюс шум резисторов в ООС, в сумме обычно бывает больше 5 нВ) или на подобных ОУ, вроде массовых японских NJM4580, 4558, 2068 и т.п. Сразу видно, что в первом случае достаточно повторителя, который в этой системе является слабым звеном. Во втором случае вклад 2-го каскада будет заметным, поэтому стоит побороться за улучшение С/Ш, собрав 1-й каскад в виде усилителя. В этом случае, шум на выходе 1-го каскада будет уже 5 нВ/^Гц*Кус, т.е. при некотором, не очень большом Кус, превысит приведённое ко входу напряж. шума 2-го каскада, сделав влияние этого каскада на С/Ш всей системы незначительным.

Изменено 4 июля, 2020 пользователем Tuvalu

[patron 1]

Симил все выходные - всё пытался оптимизировать вариант с четырьмя сенсорами и персональным FET-ом для каждого и с последующим суммированием токов на БТ. Чтобы получить теоретический выигрыш с/ш в 6 дБ, придётся сильно пожертвовать THD и перегрузочной способностью, а кроме того схема разрастается до невменяемой - гора дополнительных резисторов, электролитов и т.д. Тут и задумаешься - а стоит ли овчинка выделки.

Как альтернатива - схема с одним сенсором. Схемы, что мы здесь уже обсуждали - без усиления - дают на симуляции порядка 5 нВ на 100 Гц. Пробовал утоптать хотя бы до 2 нВ, но простая каскодная схема с полевиком на входе и БТ на выходе имеет THD порядка 0.5% даже при уровнях вх. сигнала не более 10 мВ, что не шибко радует. Надо изобретать какую-то гибридную схему с усилением и ГСТ, чтобы как-то линеаризовать каскад. Путних идей пока нет.

[patron 1]

Вот ещё интересный (по кр. мере для меня) вопрос. Мы уже обсуждали тут схемотехнику с точки зрения шумов и в частности одну из них - на 3-х FET + один БП. По идее основную роль в суммарных шумах играет входной ПТ.

А вот какой вклад в суммарный шум дают эти 2 ГСТ на ПТ и выходной БТ ?  Ведь ток, протекающий через вх. полевик - тот-же самый, что и через оба ГСТ. 

Изменено 14 июля, 2020 пользователем patron

[patron 1]

On 7/14/2020 at 3:01 PM, patron said:

И вот ещё итересный вопрос  

 

Тема - про сумматор.
Если сенсор только один и вх. полевик только один, то ясно, что чтобы вычислить шум, приведённый ко входу, надо просто шум на выходе поделить на Ку.
А вот если сенсоров два и каждый из них нагружен на свой ПТ, то на что надо делить суммарный шум на выходе, чтобы получить шум, приведённый ко входу одного ПТ - на 2 ? Но ведь шумы не складываются как напряжения - они ведь некоррелированы, значит на корень из 2 ? А если сенсоров 100 - то на 10 ? А не получится, что результат окажется ниже, чем собственный шум единичного ПТ, поставленного в идеальные по шумам условия - т.е. с нулевым (по переменному току) в истоке ?

 

 

Странно, что ненужную картинку не удаётся удалить

 

Изменено 24 августа, 2020 пользователем patron

[ViKo 1]

35 минут назад, patron сказал:

А не получится, что результат окажется ниже, чем собственный шум единичного ПТ

Получится столько, сколько есть. Формула не теоретиками придумана. Она подтверждена практикой.