Усилитель с SNR 130dB и более., Реально ли сделать? Опции

[SergEN]

Реально ли сделать усилитель напряжения из +-100мВ p-p в +-2,5В p-p с SNR на выходе не менее 130dB, соотношение сигнал шум интересует только в полосе частот 20...200 Гц. Выходное сопротивление источника сигнала около 5 кОм и оно может рассматриваться как элемент усилителя.

Есть какие-то мысли на сей счет? Или можете посоветовать операционники с низкими шумами в указаной полосе частот?

[Rst7]

Я правильно понимаю, что Вы желаете примерно 2нв/корень из Гц?

Так вроде можно что-то подобрать тут - http://www.analog.com/en/precision-op-amps...ucts/index.html, только посмотрите, чтобы шум тока не испортил малину.

Только момент... Что значит

Выходное сопротивление источника сигнала около 5 кОм и оно может рассматриваться как элемент усилителя.

А то как бы тепловой шум 5тикилоомного резистора будет аж 9нВ/корень из Гц, если я опять же не ошибся на пальцах.

[SergEN]

Прикидывал, получалось около 4 нв/Гц. и <0.1...1pA/Гц. Уже искал, буквально единицы и то не вполне дотягивают. Проблема в том, что на этих частотах у большинства операционников проявляются 1/f шумы, а в параметрической таблице обычно даже не указывается на какой частоте эта характеристика. По существу полуается нужно сплошь перебирать и перечитывать даташиты, что затратно.

"Только момент... Что значит "
Из сооброжений третьего рода последовательно с источником напряжения включается резистор(ы), этот же резистор, например, может быть задающим коэффициент усиления в инвертирующей схеме. Величина может быть уменьшено, но это крайне не желательно.

Про шумы резисторов спасибо что напомнили, думал не очень существенно будет.

[_pv]

Я правильно понимаю, что Вы желаете примерно 2нв/корень из Гц?
А то как бы тепловой шум 5тикилоомного резистора будет аж 9нВ/корень из Гц, если я опять же не ошибся на пальцах.

всё-таки 4нв/корень из Гц, 200мВ полная шкала.
а 5кОм, 130дБ, и +-2.5В, действительно вместе как-то немного не вяжутся.
шум в полосе 200Гц будет 125нВ, что с коэффициентом 25 даст на выходе 3.2 мкВ. которые если поделить на 5В, то будет только 124дБ.

а куда дальше идёт сигнал с таким SNR если не секрет?

зы
еще у linear малошумящие усилители очень неплохие

Прикидывал, получалось около 4 нв/Гц. и <0.1...1pA/Гц. Уже искал, буквально единицы и то не вполне дотягивают. Проблема в том, что на этих частотах у большинства операционников проявляются 1/f шумы, а в параметрической таблице обычно даже не указывается на какой частоте эта характеристика. По существу полуается нужно сплошь перебирать и перечитывать даташиты, что затратно.

AD8671, LT1007?
характеристика low freqency noise p-p показывает шум в полосе 0.1 .. 10 Гц.
по соотношению к плотности шума (которую обычно на 1 или 10 кГц измеряют) можно примерно прикинуть насколько всё плохо с 1/f шумом.

ну и нормальные производители всё-таки такие параметры приводят, и графики зависимости плотности шума от частоты. а даташиты да, читать надо .

[Rst7]

всё-таки 4нв/корень из Гц, 200мВ полная шкала.

+-100мв. Так что таки 2нв/корень из Гц - шум-то тоже биполярный.

а куда дальше идёт сигнал с таким SNR если не секрет?

Дык на 24хбитный АЦП, как я понимаю. В полосе 200Гц можно получить вполне адекватные результаты.

[_pv]

+-100мв. Так что таки 2нв/корень из Гц - шум-то тоже биполярный.

то есть если сигнал сделать однополярным 0..200мВ, а шум останется как был, то SNR в два раза улучшится?

Дык на 24хбитный АЦП, как я понимаю. В полосе 200Гц можно получить вполне адекватные результаты.

тогда еще можно на разные АЦП посмотреть, в некоторых предусилители очень даже ничего бывают, такие, что по совокупности параметров (шумы + дрейфы) сам на ОУ просто так сходу и не подберешь.

[Rst7]

то есть если сигнал сделать однополярным 0..200мВ, а шум останется как был, то SNR в два раза улучшится?

Нет конечно. 2нВ на корень из Герц подразумевают +-2нВ.

Итого в полосе 200Гц имеем шум ~30нВ (+-30нВ относительно 0, понятное дело). Для сигнала с амплитудой 100мВ (а размах у такого сигнала будет +-100мВ, т.е. 200мВ) соотношение сигнал/шум будет 100мВ/30нВ=3*10^6=130дБ.

тогда еще можно на разные АЦП посмотреть

Кстати, про АЦП. Щас полистал кое-какие даташиты навскидку - да особо и не получается 130дБ динамического диапазона. 120 еще с натягом вроде выходит, баксов за сто, кстати.

А вообще, конечно, когда говорят о стольких-то вольтах на корень из Герц подразумевают эффективное значение. А совсем не факт, что эффективное значение полезного сигнала будет равно его амплитудному значению. Так что 6дБ (два раза) я бы оставил на неопределенность этого параметра. Из чего имеем, что нужен уровень шума не более 1нВ на корень из Герц.

Топикстартеру. А огласите-ка нам, что за источник сигнала у Вас, что Вы измеряете?

[SergEN]

_pv, что-то не попадались 4,8kSPS+ АЦП с приличными встроенными предусилителями. Насколько понимаю это в основном кодеки, которые имеют 70...100 dB.

Какая-нибудь PCM4220 при динамическом диапазоне 123 dB на графике FFT имеет шум менее -140 dBS на частоте 100 Гц. Так понимаю, что если в цифре отфильтровать более узкий частотный диапазон, то можно приблизится к этим -140 dBS.

Источник сигнала электромеханическая система, требуется очень точно измерить фазу гармоники (порядка 1нс при 100 Гц), время накопления сигнала ограничено (порядка 0,1 с).

[_pv]

Кстати, про АЦП. Щас полистал кое-какие даташиты навскидку - да особо и не получается 130дБ динамического диапазона. 120 еще с натягом вроде выходит, баксов за сто, кстати.

ну вот ad7767:
109.5 dB dynamic range, 128 kSPS
112.5 dB dynamic range, 64 kSPS
115.5 dB dynamic range, 32 kSPS
если дальше фильтровать и экстраполировать это вниз до килогерца (на высоких частотах там корень: частота в 2 раза -> +3 дБ), и надеяться что 1/f шум там еще не начнет пакостить, то 130дБ может и получится.

_pv, что-то не попадались 4,8kSPS+ АЦП с приличными встроенными предусилителями.

да, на счёт усилителей в АЦП это я похоже зря, совсем низкочастотные еще более менее прилично выглядят по шумам/дрейфам, а выше десятков Гц уже как-то не очень.

[Rst7]

Какая-нибудь PCM4220 при динамическом диапазоне 123 dB на графике FFT имеет шум менее -140 dBS на частоте 100 Гц. Так понимаю, что если в цифре отфильтровать более узкий частотный диапазон, то можно приблизится к этим -140 dBS.

Извините, но Вы полосу в 200Гц заказывали. А эти графики - они обычно волшебные, ибо надо обращать внимание на количество точек FFT, и исходя из этого (и частоты дискретизации) получить значение dF (как Fдискр/N), после чего Ваши sqrt(200Гц/dF) в dB прибавить к волшебному числу из графиков -140dB, дабы получить нужный результат.

Не поленился, пошел в даташит.

Внезапно размер FFT не указан, однако, можно по ступенькам на графике FFT для частоты дискретизации 192кГц оценить шаг примерно в 10Гц (для FFT размером 16384 точное значение 11.7Гц). Примем это как dF.

Имеем, что sqrt(200/11.7) примерно 4, что есть +12дБ к шуму в Вашей полосе. Так что не -140, а -128dB.

ну вот ad7767:

Те же на манеже.

32KSPS/8192=4Гц. sqrt(200/4)=7=17дБ. Ну по графикам где-то полка -145дБ да плюс 17 итого -128дБ. Кю!

Источник сигнала электромеханическая система, требуется очень точно измерить фазу гармоники (порядка 1нс при 100 Гц), время накопления сигнала ограничено (порядка 0,1 с).

Т.е. реальная полоса будет 10Гц, а не 200 (после того, как найдете нужную гармонику). Ну уже лучше. С другой стороны, имеем 1ГГц(характерная полоса для времени порядка 1нс)/10Гц(время накопления)=1E8, sqrt(1E8)=10000, что есть -80дБ по шуму. Дык вроде и ниче так, и не надо там -130...-140дБ. Поправьте меня, вдруг я ошибся где.

[_pv]

Те же на манеже.
32KSPS/8192=4Гц. sqrt(200/4)=7=17дБ. Ну по графикам где-то полка -145дБ да плюс 17 итого -128дБ. Кю!

ну если верить даташиту, то динамический диапазон они не по спектрам измеряли, а прямо по уровню шума при закороченном входе.

Dynamic Range
Dynamic range is the ratio of the rms value of the full scale to the rms noise measured with the inputs shorted together. The value for the dynamic range is expressed in decibels.

тем более гистограммы шумов тоже приведены.
правда rms посчитать поленились, возьмём как p-p / 6.
128ksps: 145q / 6 = 24q; 24 / 2^24 = 116дБ, еще минус 6 дБ потому что не от шкалы а от "rms value of the full scale", т.е. вроде совпадает c заявленными 109.5дБ.
соответственно на 1ksps и полосе 500Гц, 130дБ должно получаться.

почему не сходится со спектральными картинками?

[Rst7]

тем более гистограммы шумов тоже приведены.
правда rms посчитать поленились, возьмём как p-p / 6.
128ksps: 145q / 6 = 24q; 24 / 2^24 = 116дБ, еще минус 6 дБ потому что не от шкалы а от "rms value of the full scale", т.е. вроде совпадает c заявленными 109.5дБ.

Тоже вроде близко к правде.

почему не сходится со спектральными картинками?

Пока я хз, версия только одна - врут нам где-то аналоговые девицы, вот что я Вам скажу

Я Вам еще больше скажу -

All FFTs were generated using 8192 samples using a four-term Blackman-Harris window.

При накатывании такого окна внезапно падает шум на 6дБ - только что игрался для теста:




При этом пик сигнала падает только на 3дБ.

[Шаманъ]

Кстати, про АЦП. Щас полистал кое-какие даташиты навскидку - да особо и не получается 130дБ динамического диапазона. 120 еще с натягом вроде выходит, баксов за сто, кстати.

Все получится, причем можно и дешевле

Берем что-то из хороших аудио АЦП (CS5381, AK5394 и т.п.). Для CS5381 при Fs=96k указан ДД=111дБ в полосе 20кГц, т.к. ТС интересует 200Гц добавим 20дБ (полосу уменьшили в сто раз, мощность шума тоже в сто раз меньше) получается 131дБ , а если еще заглянуть в колонку Typical Цена вопроса в прошлом году была около $25.

С CS5381 в реальной схеме у меня получался ДД 128дБ в полосе 500Гц вместе с предусилителем (на OPA1632) и еще много чем, (правда это были 500Гц повыше по частоте - около 22000..22500Гц, что будет у ТС с 1/f шумом хз), в полосе 200Гц можно надеяться на 132дБ. Правда у меня были задействованы два канала (для одного будет на 3дБ хуже )...но что мешает ТС тоже оцифровать сразу двумя каналами и получить +3дБ к ДД ?

[Rst7]

С CS5381 в реальной схеме у меня получался ДД 128дБ в полосе 500Гц вместе с предусилителем (на OPA1632) и еще много чем

Это измеренный Вами ДД? Или расчетный?

[SergEN]

130 dB оценено исходя из определения фазы по одному переходу через ноль.

Т.е. реальная полоса будет 10Гц, а не 200 (после того, как найдете нужную гармонику). Ну уже лучше. С другой стороны, имеем 1ГГц(характерная полоса для времени порядка 1нс)/10Гц(время накопления)=1E8, sqrt(1E8)=10000, что есть -80дБ по шуму. Дык вроде и ниче так, и не надо там -130...-140дБ. Поправьте меня, вдруг я ошибся где.

Забавная формулка: если уменьшить время накопления, то снижается требование к SNR))))

Поосмысляю пока еще.