усилитель сигнала с керамической пьезопластинки, как повысить усиление Опции

[Firer]

Уважаемые Гуру!
Пожалуйста подскажите!
Есть схема - усилитель сигнала керамического допплеровского ультразвукового датчика. Несущая частота 2МГц.
как улучшить его избирательность или усиление:
1. желательно без ввода доп. каскада на ОУ. Может быть, LC-контур поставить вместо резистора обратной связи, или параллельно ему, или еще какой совет
2. с вводом нового каскада, какой ОУ выбрать порекомендуете

Эскизы прикрепленных изображений

 

[xemul]

Есть схема - усилитель сигнала керамического допплеровского ультразвукового датчика. Несущая частота 2МГц.
как улучшить его избирательность или усиление:

Для начала хотя бы постоянные RC для номиналов на схеме рассчитайте и осмыслите. Можно еще попробовать соотнести параметр GBW (Gain Bandwidth) выбранного ОУ с 2МГц*R2/R1.

ЗЫЖ это азбука, с которой стОит ознакомиться самостоятельно.

[jam]

Расскажите суть проблемы - что конкретно не устраивает. Какова ёмкость датчика.
Улучшить сигнал\шум можно заменив схему на более сложную. Добавление L не поможет.

[Firer]

R1*C1=100*1n=0.1uS. Слишком велико по сравнению с 2МГц. Следует уменьшить С1 раз в 5?
R2*C2=0.66uS, вроде нормально, чтобы более высокую частоту срезал?
GBW=20MHz << 2MHz*R2/R1=400MHz, отсюда следует, что недостаточно быстрый ОУ взят?
Но на какой заменить тогда, я выбирал ОУ с высокоомными входами для подключения керамики специально.

емкость пластин около 3600пФ
отсюда следует, что R5+R4 должно быть поменьше, чтобы RC было около рабочей частоты (0.5uS) ?
но при этом падает чуствительность. Если действительно R5+R4 уменьшать, тогда смысл того, что взял ОУ с высокоомными входами?

работает. но много шума. надо как-то повысить усиление на рабочей частоте, чтобы остальное отсеить. повышение R2 результата не дает.
что не верно, как доработать, какую схему можно применить, пожалуйста подскажите

[xemul]

R1*C1=100*1n=0.1uS. Слишком велико по сравнению с 2МГц. Следует уменьшить С1 раз в 5?
R2*C2=0.66uS, вроде нормально, чтобы более высокую частоту срезал?

Частота среза RC-фильтра 1-го порядка f=1/(2*pi*R*C)
ФВЧ R1 C1 в Вашей схеме режет низы с 1.6 Мгц, а ФНЧ R2 C2 - верхи с 241 кГц. Весьма странный полосовой усилитель.

GBW=20MHz << 2MHz*R2/R1=400MHz, отсюда следует, что недостаточно быстрый ОУ взят?

Из GBW=20MHz следует, что на 2 МГц из ОУ можно выжать Ку<=10.

Но на какой заменить тогда, я выбирал ОУ с высокоомными входами для подключения керамики специально.

Вряд ли Вы отделаетесь одним каскадом, даже если возьмете ОУ с GBW=400 MHz.

...
что не верно, как доработать, какую схему можно применить, пожалуйста подскажите

Приведите структурную схему Вашей коробочки - я пока не понимаю, зачем делать усилитель с Ку=200 @ 2 Мгц.

[Firer]

Xemul спасибо! Еще позвольте спросить!
Схема - узел ультразвукового допплера. Далее после усилителя следует фазовый детектор на МОП-ключах.
Все остальное без проблем нарисовал, и заработало.
А вот с входным каскадом возникли проблемы из-за отсутствия опыта в этой специфической области.
Данную схему взял из книжки Analog Devices Sensor Signal Conditioning. Там она была для эхолота, но частота около 200кГц.
И вот при попытке ее модифицировать для моего случая словил грабли.

Резюмируя, чтобы причесать эту схему:
1. снижаем Ku до 10, т.к. все равно больше ОУ не позволит (кстати, откуда эта формула 2MHz*R2/R1?), ставим R2=1k
2. теперь оставляя С2=33p мы получаем что частота среза ФНЧ R2C2 2.4МГц, как раз.
3. А какой номинал выбрать для R4+R5, этого не понимаю!
Ставя их высокими (100МОм и выше), получается при включении или при касании пластины очень длинный переходной процесс (в насыщение похоже уходит усилитель), как будто заряжается емкость керамики.
А низкими - усиление падает.
Оптимум какой - чтобы (R4+R5)*Cкерамики = рабочая частота, или нет?

Можно ли еще как-то улучшить работу схемы на этом ОУ, не меняя ОУ, и не вводя другого каскада? Или это максимум чего можно добиться?

Если усиления мало - то второй каскад на ОУ побыстрее, инвертирующее включение?

[MAXXXX]

Для 5 мгц делал так - сигнал от пьезопреобразователя на буферный каскад AD811 с ку=1 далее два последовательно AD603
Все по датшитам. Работало отлично. Даже думаю одного AD603 достаточно для пьезокерамики. Управлял с цапа не припомню
какого (тоже AD пит 5в). Вход схемы защищаем диодами если на датчик идет зондирующий высоковольтный сигнал.
Если нужно проще то на AD811 делаем просто усилок с постоянным ку типа инвертирующего (расчет по книжкам)
Как выбрать ку : осцилографом к пластине - измеряем величину сигнала - далее расчитываем ку

[alexkok]

Можно ли еще как-то улучшить работу схемы на этом ОУ, не меняя ОУ, и не вводя другого каскада? Или это максимум чего можно добиться?

При емкости датчика 3600пФ есть смысл попробовать поставить параллельную индуктивность, полосу отрегулируете параллельным резистором.
Правда если датчик уже настроен на 2МГц, то это не поможет.

Сообщение отредактировал alexkok - Aug 5 2009, 01:57

[Firer]

Спасибо большое за идеи.
Maxxxx позвольте спросить.
У вас входной повторитель был на AD811. У него сопротивление входное 1.5МОм.
А если я сделаю повторитель как раз на AD745 который у меня сейчас. Надо ли параллельно пьезопластине ставить резистор?
А то у AD745 входное сопротивление под гигаом, заряд будет на пластинах накапливаться и в насыщение ОУ уводить, верно или нет?

[Guest_orthodox_*]

При емкости датчика 3600пФ есть смысл попробовать поставить параллельную индуктивность, полосу отрегулируете параллельным резистором.
Правда если датчик уже настроен на 2МГц, то это не поможет.

Почему не поможет? Смотря какого типа резонанс датчика...если он на резонансе ведет себя как высокодобротный последовательный контур - то да. Но кварцы, к примеру, встречались и ведущие себя как параллельный контур, насколько помню. Пробовать надо.

Кстати, отчего автор гонится за высоким входным сопротивлением? На такой частоте и при такой емкости ему любой ОУ годится, было бы усиление на нужной частоте...

Надо ли параллельно пьезопластине ставить резистор?
А то у AD745 входное сопротивление под гигаом, заряд будет на пластинах накапливаться и в насыщение ОУ уводить, верно или нет?

Редко когда не ставят, рассчитывая на утечку датчика и огромное входное сопротивление ОУ.
но это нужно только на самых низких частолтах - а так отчего не поставить - не помешает...

[Евгений Германов...]

Почему не поможет? Смотря какого типа резонанс датчика...если он на резонансе ведет себя как высокодобротный последовательный контур - то да. Но кварцы, к примеру, встречались и ведущие себя как параллельный контур, насколько помню. Пробовать надо.

Редко когда не ставят, рассчитывая на утечку датчика и огромное входное сопротивление ОУ.
но это нужно только на самых низких частолтах - а так отчего не поставить - не помешает...

Резистор надо ставить обязательно.Есть у пьезокерамики неприятная особенность-при мех воздействии на пластинах накапливается заряд.После вкл пластины в схему она убивает всё полупроводниковое.
У кварца всегда 2 резонанса,причем рядом расположенных.

[Firer]

Да, вот с накапливанием заряда я и столкнулся, когда пробовал без резисторов. Повезло еще что не сильно стукнул, поэтому ничего не выбило.
Получается, что высокоомный ОУ нафик не нужен , т.к. его шунтирует все равно этот резистор который в параллель к пластине.
Из каких соображений номинал этого резистора выбирать, вот какой вопрос.

Евгений Германович - то что 2 резонанса из этого что следует? Шунтить индуктивностью? Если да, то как ее рассчитать?

[xemul]

Схема - узел ультразвукового допплера. Далее после усилителя следует фазовый детектор на МОП-ключах.

Из каких соображений Вы делаете усилитель с Ку=100? Не проще ли будет усилить сигнал до требуемого уровня после фазового детектора?
Полезно будет снять АЧХ датчика в полосе от десятков кГц до 3-5 Мгц, чтобы понять куда приходятся его резонансы и каким образом можно/нужно обрезать полосу.
Возможно, интересней будет усилитель в виде интегратора тока.

Резюмируя, чтобы причесать эту схему:
1. снижаем Ku до 10, т.к. все равно больше ОУ не позволит (кстати, откуда эта формула 2MHz*R2/R1?), ставим R2=1k

2 МГц - Ваша рабочая/верхняя частота fв, R2/R1 - Ку на этой частоте. fв * Ку < GBW (точнее, для любой частоты в рабочей полосе должно выполняться f * Kу(f) < GBW)

3. А какой номинал выбрать для R4+R5, этого не понимаю!
Ставя их высокими (100МОм и выше), получается при включении или при касании пластины очень длинный переходной процесс (в насыщение похоже уходит усилитель), как будто заряжается емкость керамики.
А низкими - усиление падает.
Оптимум какой - чтобы (R4+R5)*Cкерамики = рабочая частота, или нет?

Задача плохо решается для датчика с такими параметрами и при такой рабочей частоте, поэтому и предложил подумать в сторону интегратора тока (с ним, правда, другие напряги вылезают).

Можно ли еще как-то улучшить работу схемы на этом ОУ, не меняя ОУ, и не вводя другого каскада?

Вряд ли. имхо, стОит сначала развязаться от выходного сопротивления датчика, а потом уже усиливать.

У Вашего датчика вообще может не быть резонансов в непосредственной близости от рабочей частоты. Чтобы не гадать, снимите его АЧХ.

[АНТОН КОЗЛОВ]

Попробуйте инверитрующий усилитель тока на высокочастотном ОУ с полевыми транзисторами (аналог совкового 544уд2), чтобы не маяться с наводками и емкостью кабеля. Как первый каскадик. R1 - несколько мегаом.

Сообщение отредактировал АНТОН КОЗЛОВ - Aug 5 2009, 15:20

Эскизы прикрепленных изображений

 

[Firer]

Xemul здраствуйте!

Чем лучше усиливать сигнал после детектора, чем до? Рабочие частоты ниже, только поэтому?
После детектора у меня диф. сигнал идет, 2 симметричные схемы. Придется в 2 раза больше ОУшек ставить

пластины заказные, под 2МГц заказывались каждая. Включены в параллель (емкость я суммарную указывал). Каждая пластина, при подаче на нее синусоиды с генератора через резистор имеет резонансы около 2МГц, резко возрастает амплитуда (+-50кГц).

Антон - с интегратором придется ставить ключ для сброса заряда накопившегося на пластине?

Может, лучше первый каскад просто повторитель, чтобы развязаться от сопротивления датчика, а второй каскад уже усиление. Лучше будет, чем сразу на нем в 10 раз усиливать?

[xemul]

Чем лучше усиливать сигнал после детектора, чем до? Рабочие частоты ниже, только поэтому?

А этого мало? Если минимальный интересующий сигнал без усиления не забивается шумами детектора, то я бы и голову не стал ломать о его предварительном усилении.

После детектора у меня диф. сигнал идет, 2 симметричные схемы. Придется в 2 раза больше ОУшек ставить

Не отмазка - ширпотребные (которых на НЧ будет достаточно) счетверенные ОУ стОят столько же, сколько и сдвоенные.

пластины заказные, под 2МГц заказывались каждая. Включены в параллель (емкость я суммарную указывал). Каждая пластина, при подаче на нее синусоиды с генератора через резистор имеет резонансы около 2МГц, резко возрастает амплитуда (+-50кГц).

Может, лучше первый каскад просто повторитель, чтобы развязаться от сопротивления датчика, а второй каскад уже усиление. Лучше будет, чем сразу на нем в 10 раз усиливать?

Как вариант. Но повторитель не избавит от много-МОм-ного резистора на входе.
Попробую дома прикинуть, до какой степени плохо получается с интегратором тока на 2 МГц с такой емкостью датчика.

[Firer]

Итак, провел эксперименты.
1. В оригинальной схеме уменьшил значение R2 до 2кОм. Поставил С2 (его видимо при экспериментах снял ранее, поняв что срезает полезный сигнал). Действительно ничего неожиданного не произошло, и коэффициент усиления сильно не изменился.
2. Снизил сопротивление резисторов которые параллельно пластине до 300кОм (с 44МОм). Усиление (на слух) стало похуже.
3. Первый каскад на AD745 превратил в токовый интегратор по предложенной Антоном схеме, включив в обратную связь 500кОм резистор. Паралленьно керамике высокоомные резисторы отключил!! Ощущение, что ничего не менял. Фоновый гул такой же, уровень сигнала (на слух) очень похожий. Видимо снова коэффициент усиления лимитируется низкой макс. частотой ОУ (20МГц).

Xemul ау! - сигнал до детектора слабый, его даже осциллографом не вижу (TDS1012)! Только на слух в наушниках после фазового детектора стоит звуковой ОУ (1 каскад) и наушники - там и слышу
Как я пойму, забивается шумами или нет

[xemul]

сигнал до детектора слабый, его даже осциллографом не вижу (TDS1012)! Только на слух в наушниках после фазового детектора стоит звуковой ОУ (1 каскад) и наушники - там и слышу
Как я пойму, забивается шумами или нет

Повесить || датчику те же 44 МОм и посмотреть осциллографом картинки на выходе ОУ, включенного повторителем (для красоты можно подрезать полосу R-L||C-фильтром). Если сигнал на фоне шумов обнаружить не удастся, придется очень сильно думать.
Закоротить вход детектора, посмотреть картинки на выходе его фильтра/усилителя. Это будут шумы детектора.
Соотнести первые картинки со вторыми.

Извините, сегодня поиграть в интегратор тока уже не успею - завтра рано вставать.

[Евгений Германов...]

Да, вот с накапливанием заряда я и столкнулся, когда пробовал без резисторов. Повезло еще что не сильно стукнул, поэтому ничего не выбило.
Получается, что высокоомный ОУ нафик не нужен , т.к. его шунтирует все равно этот резистор который в параллель к пластине.
Из каких соображений номинал этого резистора выбирать, вот какой вопрос.

Евгений Германович - то что 2 резонанса из этого что следует? Шунтить индуктивностью? Если да, то как ее рассчитать?

Высокоомный всё равно нужен.Ничего не следует.Я говорил про кварцы.Самое разумное воткнуть контур в обратную связь.
Про номинал,вроде вы сами писали.

[jam]

Итак, провел эксперименты.
1. В оригинальной схеме уменьшил значение R2 до 2кОм. Поставил С2 (его видимо при экспериментах снял ранее, поняв что срезает полезный сигнал). Действительно ничего неожиданного не произошло, и коэффициент усиления сильно не изменился.
2. Снизил сопротивление резисторов которые параллельно пластине до 300кОм (с 44МОм). Усиление (на слух) стало похуже.
3. Первый каскад на AD745 превратил в токовый интегратор по предложенной Антоном схеме, включив в обратную связь 500кОм резистор. Паралленьно керамике высокоомные резисторы отключил!! Ощущение, что ничего не менял. Фоновый гул такой же, уровень сигнала (на слух) очень похожий. Видимо снова коэффициент усиления лимитируется низкой макс. частотой ОУ (20МГц).

Xemul ау! - сигнал до детектора слабый, его даже осциллографом не вижу (TDS1012)! Только на слух в наушниках после фазового детектора стоит звуковой ОУ (1 каскад) и наушники - там и слышу
Как я пойму, забивается шумами или нет

1. После усилителя нужен полосовой фильтр.
2. Если это не поможет можно попробывать TIA c фронтэндом на полевике - дело не простое - простым советом не помочь, надо моделировать...

[MAXXXX]

Спасибо большое за идеи.
Maxxxx позвольте спросить.
У вас входной повторитель был на AD811. У него сопротивление входное 1.5МОм.
А если я сделаю повторитель как раз на AD745 который у меня сейчас. Надо ли параллельно пьезопластине ставить резистор?
А то у AD745 входное сопротивление под гигаом, заряд будет на пластинах накапливаться и в насыщение ОУ уводить, верно или нет?

С этой проблемой никогда не сталкивался. Во всех моих дефектоскопических схемах защищал вход усилка двумя встречно параллельными
диодами. Датчик подключал так - один провод пластинки на землю другой на схему через резистор далее конденсатор а потом усилитель, с диодами на входе. Измерял както емкость пластинки диаметром 1см - очень маленькая. Так что не знаю что у вас там накапливалось. Если есть информация на эту тему напишите кто знает. А вобще чем у усилителя больше входное сопротивление - тем чучше. Пример - осцилограф.

[Евгений Германов...]

С этой проблемой никогда не сталкивался. Во всех моих дефектоскопических схемах защищал вход усилка двумя встречно параллельными
диодами. Датчик подключал так - один провод пластинки на землю другой на схему через резистор далее конденсатор а потом усилитель, с диодами на входе. Измерял както емкость пластинки диаметром 1см - очень маленькая. Так что не знаю что у вас там накапливалось. Если есть информация на эту тему напишите кто знает. А вобще чем у усилителя больше входное сопротивление - тем чучше. Пример - осцилограф.

Есть.После сборки датчики подключали к анализатору спектра. После пдключения анализатору приходилось плохо, если забывали разрядить датчик.

Причина редактирования: Не нужно аллюзий. Е. Г.

[Firer]

Сколько полезных идей узнал! Неделя-две, сделаю новый макет входного усилка, обкатаю.
Позвольте еще тогда спросить.
Если делать пластину совмещенной - чтобы она была бы излучателем, и приемником.
У меня сейчас разделены. На излучающую пластину подается сигнал с цифровых инверторов 3.3в, меандр несущий.
Сигнал дифференциальный, с двух инверторов работающих в противофазе.
Если я хочу сделать пластину совмещенной, для излучения и приема:
1. надо поставить развязывающий трансформатор от инверторов к пластине. Видимо на ферр. колечке сколько-то витков. Вопрос1: как этот трансформатор рассчитать? Из каких соображений выбирать толщину кольца, кол-во витков (индуктивность) обмоток?
2. выходную обмотку трансформатора (к которой пластина подключена) один полюс на землю цепляю, другой через резистор и защитные диоды подаю на вход усилителя приемного тракта. Будет так работать? Мне кажется, что выходная обмотка трансформатора будет шунтировать сигнал (даже если я инверторы в 3 состояние переведу). Как в таких случаях поступают, как от влияния трансформатора избавляются?

[MAXXXX]

Схемы посылки импульсов с генератора и приема сигналов с пластины могут быть различными. В простейшем случае пъезодатчик подключается
к выходу генератора и одновременно к входу приемника. Вход приемника защищен диодами. Так сделано например в УД-2-12 и других дефектоскопах.
В серьезных аппаратах то же самое только для того чтобы принимать слабые сигналы выход генератора после посылки зондирующего импульса отключается
ключом (наверное реле тоже сойдет надо смотреть время его вкл/выкл). Трансформаторы для подключения датчика в таком виде никогда не применял.
Подавал на пластину через 1млсек пачку из 2-10 высоковольтных импульсов (5 мгц ). Форма импульсов - прямоугольные от 0 до +100в. Можно от -50 до 50
но это несколько усложноло бы схему схему и я не стал их применять. Генератор: формировател пачки - драйвер MOSFET - транзистор MOSFET.
Паралельно пластине - индуктивность, которая с ней образует колеб контур. Принимал приемником, описанным выше.

[xemul]

Если делать пластину совмещенной - чтобы она была бы излучателем, и приемником.
У меня сейчас разделены. На излучающую пластину подается сигнал с цифровых инверторов 3.3в, меандр несущий.
Сигнал дифференциальный, с двух инверторов работающих в противофазе.

Если здоровья цифровых инверторов хватает для раскачки излучателя, то будет достаточно простейшей защиты входа усилителя и инверторов с Z-состоянием в качестве коммутатора. Чтобы не ловить шум от цепей питания инверторов, нужно переводить в Z оба плеча раскачки и "землить" излучатель-приемник на "землю" усилителя отдельным ключом.
3600 пФ на 2 МГц - изрядный перегруз для обычных цифровых инверторов.