Помогите. Схема инструментального усилителя., 20 Мгц Опции

[Nati]

Подскажите схему ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО усилителя с полосой до 20 Мгц и коэфициентом усиления 15. Обязателен FET вход.

[Самоделкин]

Посмотри АД621 , INA 114 . может сгодятся .

[BWZ]

Главное преимущество измерительного усилителя - большое значение коэффф. ослабления синфазного сигнала (КОСС, или Common-Mode Rejection). Если посмотреть параметры современных интегральных измерительных усилителей, то у них КОСС начинает резко падать начиная с десятков килогерц. Получить большое значение КОСС на единицах мегагерц очень сложно, а при маленьком измерительный усилитель теряет смысл. Кроме того, разница в паразитной емкости на землю по двум входам усилителя в единицы пФ сразу сводит на нет все старания. Обычно быстродействующие инструментальные усилители проектируют под определенную полосу частот и конкретный источник сигнала, тогда проще получить приемлемый результат.
Высокоомный вход в таком усилителе можно получить только с помощью отдельной дифф. пары полевых транзисторов, пару таких схем видел и работал с ними. Имея большой опыт разработки именно измерительных усилителей, могу сказать, что усилитель с такими параметрами является одним из самых сложных в реализации, смоделировать в PSPICE его нельзя в принципе, плату придется переразводить раз десять и придется собрать несколько схем для измерения параметров.

[alniko]

{...АД621 , INA 114 . может сгодятся }
эти операционники не тянут по треб. частоте (20 МГц)
особенно INA 114

Здесь более подходят для построения инструментального усилителя
ОУ типа PGA207, OPA2350, OPA2604, OPA604, AD825A

[Tanya]

Подскажите схему ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО усилителя с полосой до 20 Мгц и коэфициентом усиления 15. Обязателен FET вход.

Ничего страшного тут нет.
Вот посмотрите стандартную схему в даташите ad8066. Только вместо последнего оу был поставлен ad8129. В результате при подаче на вход синфазного меандра он становился заметен на уровне шумов только при амплитуде порядка вольта. Полоса около 100МГц.
Печатная плата была сделана максимально симметричной! Возможно надо предусмотреть подстроечные конденсаторы.
Могу(возможно, если найду) поделиться разводкой в SprintLayout'е (или постскрипте).

[DSIoffe]

усилитель с такими параметрами является одним из самых сложных в реализации, смоделировать в PSPICE его нельзя в принципе

Я очень извиняюсь за приставания, не работал с такими вещами.
Какими параметрами? Речь идёт только о КОСС или ещё о чём-то?
И почему нельзя смоделировать?

[Tanya]

усилитель с такими параметрами является одним из самых сложных в реализации, смоделировать в PSPICE его нельзя в принципе

Я очень извиняюсь за приставания, не работал с такими вещами.
Какими параметрами? Речь идёт только о КОСС или ещё о чём-то?
И почему нельзя смоделировать?

Можно и моделировать, изменяя модели немного для входных усилителей.
Только не надо.
А что Вам конкретно нужно? Входной ток (сопротивление)? Какое подавление синфазной? Каков ее уровень? Шумы? Полоса? Искажения? Задержки? И т.д. и т.п.

[DSIoffe]

Мне нужна, в первую очередь, полоса около 150-200 МГц при усилении 4. И вот такая функциональность - высокоомный дифференциальный вход и дифференициальный же выход.

[dxp]

Мне нужна, в первую очередь, полоса около 150-200 МГц при усилении 4. И вот такая функциональность - высокоомный дифференциальный вход и дифференициальный же выход.

Почему бы тогда не использовать широкополосные прецизионные усилители в качестве буферных и дальше после них поставить дифференциальный драйвер типа THS413x, AD813x (выбрать по требованиям/вкусу). Буфера должны только точно передать сигнал, внеся на вход схемы большое входное, а дифференциальный драйвер делает все остальное.

[Lonesome Wolf]

Мне нужна, в первую очередь, полоса около 150-200 МГц при усилении 4. И вот такая функциональность - высокоомный дифференциальный вход и дифференициальный же выход.

Почему бы тогда не использовать широкополосные прецизионные усилители в качестве буферных и дальше после них поставить дифференциальный драйвер типа THS413x, AD813x (выбрать по требованиям/вкусу). Буфера должны только точно передать сигнал, внеся на вход схемы большое входное, а дифференциальный драйвер делает все остальное.

Так в этом же и дело изначально дифференциальная архитектура имеет преимущество. Сравните достаточно высокий CMRR на больших частотах в монолитных диф усилителях, с таковым в быстрых ОУ...

[Electrovoicer]

придется тщательнее определиться с омами, децибелами и мегагерцами. потому как тут каждый нВ/VГц на счету. придется биться на смерть. напишите хотя бы следующие параметры:
1. Полоса частот при усилении 4
2. Шумы напряжения в полосе
3. CMRR
4. Входное сопротивление, CM и DM
5. Шумы входного тока
6. Коэффициент гармоник
7. Входная емкость
если с этим определитесь, уже можно подумать о топологии и элементной базе

[dxp]

Так в этом же и дело изначально дифференциальная архитектура имеет преимущество. Сравните достаточно высокий CMRR на больших частотах в монолитных диф усилителях, с таковым в быстрых ОУ...

От дифференциальной архитектуры никто и не предлагает отказываться - AD813x как раз дифференциальный усилитель с диф. входом и диф. выходом. Но у него получится небольшое входное сопротивление. Этот недостаток предгалается пофиксить просто с помощью буферов, цель которых - передать сигнал со входа на выход при наименьших искажениях (в том числе и смещения). Единственное "узкое" место тут - это резисторы в цепях дифференциальника. Их придется ставить прецизионными.

[nicom]

... на мой взгляд, еще более узкое место это входные буферы... на частотах под 200МГц фазу (фазы) сигнала будет "плющить и колбасить" так, что понятие дифференциальности станет работать только на "постоянном токе". Кроме того, определитесь с диапазоном входных напряжений.
Вообще то такое решение есть готовое: посмотрите дифференциальные FET пробники для осциллографов HP, Тектроникс... но и цена от 1.5 килобаксов...
Вот там входные каскады собраны на отдельной микросхеме, практически идеальная симметричная разводка, очень тонкие дорожки.

[dxp]

... на мой взгляд, еще более узкое место это входные буферы... на частотах под 200МГц фазу (фазы) сигнала будет "плющить и колбасить" так, что понятие дифференциальности станет работать только на "постоянном токе".

Ну, это какие ОУ на это место подобрать. Чего бы их плючщило и колбасило в режиме повторителей, если их характеристики производителем в полосе нормированы. И лучше, конечно, взять сдвоенный вариант.

Кроме того, определитесь с диапазоном входных напряжений.
Вообще то такое решение есть готовое: посмотрите дифференциальные FET пробники для осциллографов HP, Тектроникс... но и цена от 1.5 килобаксов...
Вот там входные каскады собраны на отдельной микросхеме, практически идеальная симметричная разводка, очень тонкие дорожки.

Вот у нас, как раз, есть дифференциальный активный пробник от LeCroy. Около трех тонн баксов, между прочим. 500 МГц полоса, 3 пФ входная емкость, 3 нВ на корень из Гц шумов, в общем, круто во всех смыслах. Так вот, при измерении падения на шунте в Н-мосте, 24 В синфазное, 100 мВ сигнал, дешевый AD8205 дает практически идеальное подавление синфазной, а упомянутый пробник лажается - броски на переключениях. Т.ч. сам по себе КОСС там весьма небольшой.

[Lonesome Wolf]

... на мой взгляд, еще более узкое место это входные буферы... на частотах под 200МГц фазу (фазы) сигнала будет "плющить и колбасить" так, что понятие дифференциальности станет работать только на "постоянном токе".

Ну, это какие ОУ на это место подобрать. Чего бы их плючщило и колбасило в режиме повторителей, если их характеристики производителем в полосе нормированы. И лучше, конечно, взять сдвоенный вариант.

Это ведь не только от кристалла зависит - плывет все, и по разному, самое главное. Ведь высокие параметры монолитных усилителей - это не только идентичность характеристик, но и минимизация их разбаланса в диапазоне рабочих условий. Имеено это я имел ввиду, говоря об исходно балансной схеме, а схема с буферами таковой не является. Ведь недаром, IMHO, нет искомых приборов в интегральном исполнеии.
Хочу привести примерчик, в дискуссии с разработчиками из AD, касающейся наблюдаемого хвоста после после прямоугольного импульса, (AD8138), я предположил, что это может быть связано с неравномерностью нагрева входного каскада с соответствующим уходом его нуля, при работе выходного в режиме большого сигнала. Не скрою, это было дилетантское предположение, но уж больно мы морочились с этим тогда. Но самое главное - сами разработчики согласились, что так может быть (что подняло мое самоуважение конечно ). Т.е. ловля блох на уровне -60-80 дБ - это серьезная задача.

[nicom]

...на сколько понял, в щупе стояли повторители на полевиках... что то типа SSI440...(пара или даже 4 штуки (в какой то сборке) согласованных ВЧ FET в одном корпусе) их проще отсимметрировать...меньше количество полюсов, чем в ОУ.

... а понятие "симметричность АЧХ (или ФЧХ)" для пар ОУ на глаза не попадалось... (может быть смотрел не совсем внимательно), но отдельно взятые ОУ вели себя очень плохо. (посмотрите - сколько Вы знаете ОУ с FET на входе и полосой под 200МГц и до какой частоты более-менее нормируются характеристики... )

...А вообще задачка не из простых...
В то же время, если ее решить (в т.ч. совместными усилиями), то готовое решение, думаю многим будет полезно, или необходимо...

Мы то же столкнулись с тем, что диф. пробники не очччччень то за такие деньги...

[Lonesome Wolf]

...на сколько понял, в щупе стояли повторители на полевиках... что то типа SSI440...(пара или даже 4 штуки (в какой то сборке) согласованных ВЧ FET в одном корпусе) их проще отсимметрировать...меньше количество полюсов, чем в ОУ.

... а понятие "симметричность АЧХ (или ФЧХ)" для пар ОУ на глаза не попадалось... (может быть смотрел не совсем внимательно), но отдельно взятые ОУ вели себя очень плохо. (посмотрите - сколько Вы знаете ОУ с FET на входе и полосой под 200МГц и до какой частоты более-менее нормируются характеристики... )

...А вообще задачка не из простых...
В то же время, если ее решить (в т.ч. совместными усилиями), то готовое решение, думаю многим будет полезно, или необходимо...

Мы то же столкнулись с тем, что диф. пробники не очччччень то за такие деньги...

Фирменные пробники, даже самые что ни на есть простейшие, стоят больших денег - плата за имя... А высоковольтные уж....

Сообщение отредактировал Lonesome Wolf - Feb 10 2006, 11:13

[DSIoffe]

Огромное всем спасибо, у меня появилось представление, о чём надо думать.

Почему бы тогда не использовать широкополосные прецизионные усилители в качестве буферных и дальше после них поставить дифференциальный драйвер типа THS413x, AD813x (выбрать по требованиям/вкусу)

В первую очередь - из-за жёстких требований по потреблению. Лишний десяток-другой миллиампер в этом месте схемы очень нежелателен. Я пока остановился на паре AD8021. Но, ясное дело, допусков на фазовые сдвиги не нашёл. Или плохо искал?

[dxp]

Мы то же столкнулись с тем, что диф. пробники не очччччень то за такие деньги...

Да нет, почему же не очень, очень даже очень. Просто у него здоровенная полоса, очень малые собственные шумы и, естестенно, сравнительно небольшой КОСС сам по себе. Смотреть таким пробником сигналы на относительно узкополосном Н-мосте с большой динамической синфазной видимо не самое лучшее применение указанному пробнику. А вот мелкий сигнал на фоне постоянки - самое оно. При этом у него очень малая входная емкость и возможность включить усиление на 10! Это значительно расширяет возможности наблюдения малых сигналов. Особенно с постоянной составляющией. Т.ч. дивайс очень даже ничего. Жаль, что такой дорогой, конечно.

[Stanislav]

...Почему бы тогда не использовать широкополосные прецизионные усилители в качестве буферных и дальше после них поставить дифференциальный драйвер типа THS413x, AD813x (выбрать по требованиям/вкусу). Буфера должны только точно передать сигнал, внеся на вход схемы большое входное, а дифференциальный драйвер делает все остальное.

Нет, просто буферы использовать нежелательно. Лучше как раз весь Ку получить на первых двух операх в схеме отсюда. А последний использовать как ДУ с к-том 1, при этом облегчается его балансировка с изменением температуры (все резисторы одного номинала и, возможно, из одной сборки). В такой схеме КОСС удается получить заметно больший, чем в предложенной Вами. Ессно, резисторы должны быть не слишком высокоомными, а выходы оперов - соответствующими.

[nicom]

Уважаемый DXP!
А Вы не интересовались собственно начинкой вашего щупа... По сути ведь задача примерно та-же... было бы интересно...

...а с низким КОСС на диф.щупе столкнулись, когда наблюдали сигнал с головки HDD...сигнал на уровне долей мВ... на фоне единиц Вольт. При включении головки были дикие помехи, которые сильно затрудняли работу, хотя подчеркну, ТОЛЬКО при помощи такого щупа нам удалось правильно понять и разобраться в некоторых вопросах кодировки и т.д. но это было уже достаточно давно...

2Stanislav: наверное не соглашусь с Вами. Посмотрите - какую единичную полосу должен иметь ВЧ ОУ с FET.
В Задаче ставится под 200МГц, значит при Ку=4 нужен с полосой 800МГц... (АУ!!!) при этом проблемы с "симметрированием" резко возрастут. Проблемы компенсации по постоянному току и теплу можно решить по другому...

[BWZ]

Прошу прощения, если повторяюсь. Проблема не только в усилителе. При входной емкости ОУ в несколько пФ (а меньше получить нереально) уже есть ее технологический раброс по двум входам относительно земли. Источник сигнала и линии связи с измерительным усилителем должны быть идеально симметричными относительно земли, отличие емкостей на десятые доли пФ уже недопустимо. Начиная с единиц МГц и выше нужно учитывать емкостной делитель "источник сигнала и линия связи" - "вход усилителя". Именно он и будет в основной степени определять КОСС на ВЧ. Измерить КОСС самого усилителя можно только на идеально симметричной печатной плате, с источником сигнала в виде гальванически развязанного от земли идеального датчика, провода вообще использовать нельзя (при их перемещении изменяются параметры).
И какой же изготовитель рискнет выпускать такие усилители, если повторить условия измерений практически невозможно. А производство весьма консервативно - параметры нужно измерять четко и без особых проблем. И повторяемость этих измерений для пользователя должна быть высокой.

Поэтому единого подхода к разработке и одинаковых практических результатов скорее всего не будет. Как следствие, имхо все и заканчивается только общими советами производителей ОУ как это нужно делать.

[Lonesome Wolf]

Прошу прощения, если повторяюсь. Проблема не только в усилителе. При входной емкости ОУ в несколько пФ (а меньше получить нереально) уже есть ее технологический раброс по двум входам относительно земли. Источник сигнала и линии связи с измерительным усилителем должны быть идеально симметричными относительно земли, отличие емкостей на десятые доли пФ уже недопустимо. Начиная с единиц МГц и выше нужно учитывать емкостной делитель "источник сигнала и линия связи" - "вход усилителя". Именно он и будет в основной степени определять КОСС на ВЧ. Измерить КОСС самого усилителя можно только на идеально симметричной печатной плате, с источником сигнала в виде гальванически развязанного от земли идеального датчика, провода вообще использовать нельзя (при их перемещении изменяются параметры).
И какой же изготовитель рискнет выпускать такие усилители, если повторить условия измерений практически невозможно. А производство весьма консервативно - параметры нужно измерять четко и без особых проблем. И повторяемость этих измерений для пользователя должна быть высокой.

Поэтому единого подхода к разработке и одинаковых практических результатов скорее всего не будет. Как следствие, имхо все и заканчивается только общими советами производителей ОУ как это нужно делать.

Я тоже повторяюсь, но хотел бы выразить согласие с мнением уважаемого коллеги BWZ. Реализация подобного устройства на рассыпухе вряд ли приведет к желаемому результату. Т.е. можно конечно добиться работы схемы в "точке", но Вам придется каждый раз на нее настраиваться. С моей точки зрения, даже при реализации соответствующих активных цепей полностью в чипах, остается проблема подключения в схему, к измеряемой цепи. Ведь согласитесь, достаточно часто, выжимая предельные значения какого-либо параметра, ругаемся - понаписали что можно, а вот те на, а ведь зачастую это связано с тем, что меряются параметры по-разному. Ведь даже за задрипанном пробнике есть подстройка его переходной характеристики - значит производитель не гарантирует метрологические характеристики в течении всего срока службы.

Если стоит какая-либо частная задача, то можно попытаться ее конечно решить тем или иным способом, но вряд ли этот способ окажется универсальным.

[dxp]

Уважаемый DXP!

За что Вы меня так?..

А Вы не интересовались собственно начинкой вашего щупа... По сути ведь задача примерно та-же... было бы интересно...

Сам пробник не разбирали - боязно как-то, уж больно конструкция хлипкая. В доке на него есть такая картинка. Схематично, конечно, но кое-что проясняет.

Эскизы прикрепленных изображений

 

[Lonesome Wolf]

Уважаемый DXP!

За что Вы меня так?..

А Вы не интересовались собственно начинкой вашего щупа... По сути ведь задача примерно та-же... было бы интересно...

Сам пробник не разбирали - боязно как-то, уж больно конструкция хлипкая. В доке на него есть такая картинка. Схематично, конечно, но кое-что проясняет.

А какие сопротивления по входу стоят?

[dxp]

А какие сопротивления по входу стоят?

В даташите написано, что по 1М на землю на каждый вход. Между входами 2М. CMRR 10000:1 на DC. Зависимость от частоты не приводится.

[Stanislav]

2Stanislav: наверное не соглашусь с Вами. Посмотрите - какую единичную полосу должен иметь ВЧ ОУ с FET.
В Задаче ставится под 200МГц, значит при Ку=4 нужен с полосой 800МГц... (АУ!!!) при этом проблемы с "симметрированием" резко возрастут. Проблемы компенсации по постоянному току и теплу можно решить по другому...

Ну, в этой теме аж 2 Задачи... Я имел в виду 20МГц пробник с усилением 15 из названия самОй темы. Решение задачи уважаемого DSIoffe, как мне кажется, правильнее всего искать в области мнгоканальных усилительных структур (МКУС). К сожалению, точную ссылку на литературу дать не могу, в Гутникове об этом кратко, но есть книга с одноименным названием (автора забыл). Создание же одноканального инструментального усилителя по классической схеме на такую полосу пропускания да еще с малым потреблением и хорошим подавлением СС - действительно шаманство, о его серийной повторяемости не может быть и речи.

Ели все же делать, как предлагает dxp, то буферы-повторители действительно лучше выполнить на согласованных ПТ, а далее - какой-либо монстр, вроде AD835x, т.к. разница в задержках буферов должна быть минимальной, иначе хорошего ослабления СС добиться не удастся.

Кстати, откуда взялось условие, что ОУ должен быть именно с FET?

[BWZ]

А может это просто сложился такой миф, что измерительный усилитель решит все проблемы.
Мне пришлось ремонтировать свой сгоревший виртуальный осциллограф National Instruments. У него весьма приличная чувствительность как для платы внутри компьютера. Особенно поразила входная часть. Корпус входного разъема и корпус платы (схемы непосредственно осциллографа) соединены через резистор 20 Ом. А дифференциальный входной усилитель вычитает из входного сигнала помеху, которая измеряется на этом резисторе. При этом экран коаксиального кабеля получается как бы не совсем соединенным с корпусом, а помехи, наводимые на нем, вычитаются из сигнала с центральной жилы кабеля. Не совсем стандартное решение, но вполне приличный результат.
Правда полной схемы нет, рисовал с многослойки под микроскопом, плюс находил межслойные переходы прозвонкой. Если у кого есть подобная схема полностью, поделитесь пожалуйста.

[Lonesome Wolf]

А может это просто сложился такой миф, что измерительный усилитель решит все проблемы.
Мне пришлось ремонтировать свой сгоревший виртуальный осциллограф National Instruments. У него весьма приличная чувствительность как для платы внутри компьютера. Особенно поразила входная часть. Корпус входного разъема и корпус платы (схемы непосредственно осциллографа) соединены через резистор 20 Ом. А дифференциальный входной усилитель вычитает из входного сигнала помеху, которая измеряется на этом резисторе. При этом экран коаксиального кабеля получается как бы не совсем соединенным с корпусом, а помехи, наводимые на нем, вычитаются из сигнала с центральной жилы кабеля. Не совсем стандартное решение, но вполне приличный результат.
Правда полной схемы нет, рисовал с многослойки под микроскопом, плюс находил межслойные переходы прозвонкой. Если у кого есть подобная схема полностью, поделитесь пожалуйста.

Подобная схема применяется и в Hi-Fi...

[nicom]

... все таки ЛЕ-КРОЙ, ТЕКТРОНИКС, ХП выпускают, пусть и дорого, но СЕРИЙНО диф.пробники... Согласен, шаманили они и снимали порчу, наверное, достаточно долго... Вполне вероятно, что во всей полосе КОСС добиться достаточно сложно, но, вполне вероятно, что и у них этот показатель неидеален, судя по высказываниям участников обсуждения и своим личным...

2Stanislav: "Я имел в виду 20МГц пробник с усилением 15 из названия самОй темы."

- 20 на 15 это 300МГц, опять таки проблемы с выбором ОУ и его характеристиками, посмотрите - когда начинает падать линейность, например, у уважаемого ОРА655, а как ведет себя АЧХ...
Наверное может получиться, если установить усиление порядка 5 в первом каскаде, а уже дальше добрать Ку. Но и тут, может получилось бы лучше, если поставить повторитель на паре согласованных FET, и усиливать дальше - во всяком случае, проблем по потреблению здесь, на мой взгляд меньше.

2BWZ в своё время часть схемы срисовал (именно от NI 20МГц платы (правда резисторы были 18Ом)) При попытке повторить - в общем то ничего хорошего не получилось... не так все просто... так понял, что зависит в основном от разводки - последовательность подключения элементов к дорожкам..., а на принципиальной схеме это не однозначно...

Кроме того, значительно лучшие результаты были при вводе на плату кабеля, пропущенного через кОльца феррита (несколько витков)...

ИДЕАЛЬНОГО варианта, может быть, ещё долго не будет, в то же время, задачу с измерением можно решить проще, не прибегая к обсуждению вида:" представим движение лошади, как движение абсолютно круглого тела в вакууме... "

Тем более, что на больших частотах надо учитывать не только емкость дорожек, но и их индуктивность...
это порядка 15нГн на см прямого участка. (при частоте 200МГц на 1см уже около 20Ом) [это про вторую задачу]

Удачи...