предусилитель для пьезокерамического гидрофона Опции

[minzh]

Добрый день. Имеется пассивный гидрофон и 30 м кабеля (две жилы в экране). Для работы с ним необходимо собрать предусилитель с коэффициентом усиления порядка 10-20. Предусилитель должен быть размещён в корпусе гидрофона и иметь фантомное питание. Возможно, у кого найдётся готовое схемотехническое решение? Спасибо.

[Proffessor]

Имеется пассивный гидрофон и 30 м кабеля (две жилы в экране). Для работы с ним необходимо собрать предусилитель с коэффициентом усиления порядка 10-20. Предусилитель должен быть размещён в корпусе гидрофона и иметь фантомное питание. Возможно, у кого найдётся готовое схемотехническое решение?

Если кабель трансляции симметричный (витая пара в экране), напрашивается самое простое решение - дифференциальный каскад на двух полевиках. Пьезокерамический датчик подключается симметрично к затворам полевиков. Стоки транзисторов непосредственно подключены к проводам кабеля. Стоковые резисторы вынести в конец кабеля, и на них подавать питание относительно экрана. Сопротивление стоковых резисторов надо выбирать из компромисса - обеспечить с одной сороны, требуемое усиление, с другой стороны - не завалить верхние частоты из-за емкости кабеля провод-провод и провод-экран.

Сообщение отредактировал Proffessor - Sep 5 2013, 10:35

[Alexashka]

Если кабель трансляции симметричный (витая пара в экране), напрашивается самое простое решение - дифференциальный каскад на двух полевиках. Пьезокерамический датчик подключается симметрично к затворам полевиков. Стоки транзисторов непосредственно подключены к проводам кабеля. Стоковые резисторы вынести в конец кабеля, и на них подавать питание относительно экрана. Сопротивление стоковых резисторов надо выбирать из компромисса - обеспечить с одной сороны, требуемое усиление, с другой стороны - не завалить верхние частоты из-за емкости кабеля провод-провод и провод-экран.

Извините что вклиниваюсь, вопрос для меня тоже актуальный. А как у такой схемы с линейностью?
Вообще чтобы не иметь проблем с длинной линией, ее нужно питать постоянным током, что становится довольно энергезатратно при большом количестве датчиков. А вообще имея 2 жилы и экран можно ведь передавать по одной жиле питание, по другой сигнал?

P.S. Вообще для задачи ТС обычно применяют параллельный стабилизатор -выходное сопротивление у такой схемы минимально, т.е кабель в принципе не влияет на сигнал, если достаточно тока питания.

[Tarbal]

Извините что вклиниваюсь, вопрос для меня тоже актуальный. А как у такой схемы с линейностью?

Все линейно.

В истоке стоит резистор и в стоке на другом конце провода. Схемотехнически резистор в истоке осуществляет отрицательную обратную связь. Отношение резисторов дает коэффициент усиления по напряжению. Для борьбы с емкостью линии надо побольше тока вдуть, то есть поменьше номинал резисторов поставить.

Там должна быть каскодная схема. Лично я поставил бы первый полевик усилителем, второй полевик каскодом для уменьшения входной емкости. Это на стороне датчика. На другом конце кабеля обычный биполярный тр-р тоже каскодом. Выбрав оптимальные значения истокового резистора первого полевика и его тока (ну тип полевика), можно получить оптимальные значения линейности, широкополосности и отношения с/ш для данного датчика.

Не согласен. Каскодная схема нейтрализует емкость сток-затвор у обоих каскадов, но не емкость кабеля. Это позволяет бороться с эффектом (забыл имя), когда на высоких частотах усиление падает благодаря этой емкости.
У первого каскада сток не меняет напряжение и нечему идти через емкость, а у второго затвор под постоянным напряжением и емкость сток-затвор не влияет.

Сообщение отредактировал Tarbal - Sep 9 2013, 12:13

[Alexashka]

Все линейно.

В истоке стоит резистор и в стоке на другом конце провода. Схемотехнически резистор в истоке осуществляет отрицательную обратную связь. Отношение резисторов дает коэффициент усиления по напряжению.

Что, абсолютно линейно? У самого полевика жуткая нелинейность, а резистор в истоке снижает нелинейность ровно на столько, насколько снижает усиление, если это в 10 раз, то боюсь что недостаточно.
Хорошая линейность нужна чтобы не было интермодуляции, т.к в сигнале гидрофона может наличествовать мощный посторонний сигнал (фон), то слабый полезный сигнал может быть искажен, и в спектре появятся гармоники, которых не было.

Еще. Для БОЛЬШИХ гидрофонов с большой емкостью (и сравнительно малым уровнем сигнала) желательно применять ЗЧУ, что намного проще реализуется на ОУ с полевыми тр-ми на входе, нежели на отдельных полевиках. Почему и предложил вариант с питанием по отдельному проводу. Хотя можно и ОУ заставить работать по двухпроводной линии, но тут нужно хорошенько подбирать ОУ и макетировать.

[Tarbal]

Что, абсолютно линейно? У самого полевика жуткая нелинейность, а резистор в истоке снижает нелинейность ровно на столько, насколько снижает усиление, если это в 10 раз, то боюсь что недостаточно.
Хорошая линейность нужна чтобы не было интермодуляции, т.к в сигнале гидрофона может наличествовать мощный посторонний сигнал (фон), то слабый полезный сигнал может быть искажен, и в спектре появятся гармоники, которых не было.

Абсолютно ничто не линейно.
Полевик нелинейный, а схема на полевике с отрицательной обратной связью линейна.


Вы ведь не будете возражать, что данная схема линейна:
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/comm...ollower.svg.png

[Alexashka]

Абсолютно ничто не линейно.
Полевик нелинейный, а схема на полевике с отрицательной обратной связью линейна.


Вы ведь не будете возражать, что данная схема линейна:
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/comm...ollower.svg.png

Как так? Куда же она исчезла, нелинейность? Если нелинейный элемент остается в схеме.
Давайте всетаки рассуждать как инженеры, а не радиолюбители. У любой схемы, даже у повторителя на полевике есть такой параметр как КНИ, вот его порядок и давайте оговаривать. А точнее не повторителя, а то что Вы предлагаете - усилителя с ОИ с местной ООС по напряжению.

[Tarbal]

Как так? Куда же она исчезла, нелинейность? Если нелинейный элемент остается в схеме.
Давайте всетаки рассуждать как инженеры, а не радиолюбители. У любой схемы, даже у повторителя на полевике есть такой параметр как КНИ, вот его порядок и давайте оговаривать. А точнее не повторителя, а то что Вы предлагаете - усилителя с ОИ с местной ООС по напряжению.

Вот статья про эмиттерный повторитель говорит, что вторая гармоника 5*10^-5, а третья 5*10^-8.
http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/downl...p1&type=pdf


В полевике есть эффект подложки, который вносит нелинейность Судя по статье это будет 1.32% для второй гармоники. Однако при тех маленьких уровнях сигнала, что нам надо передавать, нелинейность будет значительно ниже. Но если это будет чрезвычайно принципиально, то в статье есть методы борьбы с нелинейностью.

http://www.google.ca/url?sa=t&rct=j&am...b2I&cad=rja

Об усилении заряда:
Если надо измерять заряд, то надо сначала конвертитовать его в напряжение. Или хотябы ток конвертитовать в напряжение.


Сообщение отредактировал Tarbal - Sep 16 2013, 00:27

[Alexashka]

Вот статья про эмиттерный повторитель говорит, что вторая гармоника 5*10^-5, а третья 5*10^-8.
http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/downl...p1&type=pdf

Посмотрел статью, для интермодуляционных искажений для истокового повторителя вижу следущее (на предпоследней странице) IM2=0,19%, но повторитель это ведь не интересно, чтобы не вылезли шумы нужно дать хотя бы усиление десятку, а лучше -больше. Но даже при десятке искажения будут уже порядка процентов (для примера на стр.6 приводится величина 2,5%).

Об усилении заряда:
Если надо измерять заряд, то надо сначала конвертитовать его в напряжение. Или хотябы ток конвертитовать в напряжение.

Этим и занимается ЗЧУ.

ЗЧУ не есть что-то особое, это всего лишь усилитель с высоким входным сопротивлением и малой входной емкостью.
Неплохо, чтобы Вы еще конкретизировали требования по допустимому коэффициенту нелинейных искажений, тогда выбор будет более осмысленным - транзисторы или ОУ.

Не совсем так, по сути его входной импеданс - огромная емкость (порядок величины -миллифарады), ее задача состоит в том, чтобы принять в себя все заряды, сгенерированные датчиком.

[Proffessor]

Не совсем так, по сути его входной импеданс - огромная емкость (порядок величины -миллифарады), ее задача состоит в том, чтобы принять в себя все заряды, сгенерированные датчиком.

Вам не кажется, что с этим ЗЧУ Вы несколько перемудрили?
Огромная входная емкость - это явно усилитель только для постоянного медленно меняющегося напряжения, но ведь Вы имеете дело с сигналом звукового диапазона (гидрофон - тот же микрофон, различие в условиях применения). При большой входной емкости напряжение сигнала переменного тока будет шунтироваться на землю (при большом внутреннем сопротивлении источника - пьезоэлемента) и стремиться к нулю. Что тогда усиливать?

Сообщение отредактировал Proffessor - Sep 16 2013, 11:02

[Alexashka]

Вам не кажется, что с этим ЗЧУ Вы несколько перемудрили?
Огромная входная емкость - это явно усилитель только для постоянного медленно меняющегося напряжения, но ведь Вы имеете дело с сигналом звукового диапазона (гидрофон - тот же микрофон, только различие в условиях применения). При большой входной емкости напряжение сигнала переменного тока будет шунтироваться на землю (при большом внутреннем сопротивлении источника - пьезоэлемента) и стремиться к нулю. Что тогда усиливать?

С каким этим ЗЧУ?
Вот к примеру функциональная схема ЗЧУ. Благодаря ООС через емкость на вход усилителя его эквивалентный входной импеданс - это по сути данная емкость ООС помноженная на Кус ОУ с разомкнутой петлей обратной связи, а это порядка 10^6.
Ток сгенерированный датчиком (точнее заряд) потечет на вход ОУ, который благодаря ОС полностью его скомпенсирует, т.е ток через емкость ОС будет в точности равен току датчика. Таким образом весь заряд с датчика перейдет в емкость ОС. Усиление такого ЗЧУ определяется отношением емкости датчика и емкости ОС.
Нижняя частота среза определяется постоянной времени цепочки Сос и Rнагр (пунктиром на рисунке). Верхняя - емкостью датчика и сопротивлением R.

[Tarbal]

С каким этим ЗЧУ?
Вот к примеру функциональная схема ЗЧУ. Благодаря ООС через емкость на вход усилителя его эквивалентный входной импеданс - это по сути данная емкость ООС помноженная на Кус ОУ с разомкнутой петлей обратной связи, а это порядка 10^6.
Ток сгенерированный датчиком (точнее заряд) потечет на вход ОУ, который благодаря ОС полностью его скомпенсирует, т.е ток через емкость ОС будет в точности равен току датчика. Таким образом весь заряд с датчика перейдет в емкость ОС. Усиление такого ЗЧУ определяется отношением емкости датчика и емкости ОС.
Нижняя частота среза определяется постоянной времени цепочки Сос и Rнагр (пунктиром на рисунке). Верхняя - емкостью датчика и сопротивлением R.

Внесу ясность.
ООС через конденсатор в ОУ называется интегратор. И сделано оно для того, чтобы интегрировать входной ток. Потому как интеграл тока есть заряд.
Но при наличии резистора R оно интегрирует напряжение, а вот если его убрать, то тогда будет ток.
Резистор почему-то названный нагрузкой, ставят в интеграторах для ограничения дрейфа нуля, потому как при огромном усилении ОУ с разомкнутой ООС, дрейф может наинтегрироваться огого как.


По сути это преобразователь заряда в напряжение.

Но при наличии резистора R оно интегрирует напряжение, а вот если его убрать, то тогда будет ток.

По сути это преобразователь заряда в напряжение.

Формула, связывающая заряд, емкость и напряжение, показывает, что напряжение на выходе пьезодатчика пропорционально заряду. А значит усиление напряжения тоже подходит для измерения величины заряда.
В режиме короткого замыкания, полагаю, высокочастотная составляющая сигнала будет менее ослаблена. Однако о ширине спектра речи не было.
Если нужна простая схема, то лучше чем предложил Профессор не найти. Тем более, что пьезодатчики проигрывателей, работая на полевой транзистор давали неплохие высокие частоты.

Алексашка, будем инженерами? Какой коэффициент нелинейных искажений у преобразователя заряда?
Ведь операционный усилитель собран из сильно нелинейных транзисторов.

В таком случае, может быть, и нет смысла ставить первый усилитель непосредственно у датчика?

Сообщение отредактировал Tarbal - Sep 16 2013, 12:47

[Alexashka]

Внесу ясность.
ООС через конденсатор в ОУ называется интегратор. И сделано оно для того, чтобы интегрировать входной ток. Потому как интеграл тока есть заряд.
Но при наличии резистора R оно интегрирует напряжение, а вот если его убрать, то тогда будет ток.

Алексашка, будем инженерами? Какой коэффициент нелинейных искажений у преобразователя заряда?
Ведь операционный усилитель собран из сильно нелинейных транзисторов.

1. Да, правильно, по сути это интегратор. Я лишь хотел объяснить "на пальцах" как работает схема.
Наличие резистора Rнагр не означает, что оно начинает интегрировать напряжение, скажем так...на высоких частотах, для которых импеданс конденсатора обратной связи много меньше сопротивления Rнагр, схема работает очень близко к интегратору, а для более низких частот ее усиление просто резко падает (увеличивается импеданс источника сигнала, а импеданс RC цепочки обратной связи остается примерно равным Rнагр).

2. Я уже писАл выше, но специально для Вас повторю. Как я говорил, в схеме с ООС КНИ снижается во столько раз, во сколько ООС снижает усиление каскада. Если усиление ОУ с разомкнутой петлей ОС порядка 10^6, а усиление каскада с ООС скажем=10, то снижение КНИ будет 10^5.
Т.е какой бы плохой КНИ не был у схемы без ООС, с ООС он будет очень и очень мал.

Update: исправил R на Rнагр.