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.

[Proffessor]

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.

Здесь получается, что пьезодатчик работает в режиме КЗ. Напряжение сигнала на входе усилителя падает за счет огромной входной емкости практически до нуля, затем огромным коэффициентом усиления ОУ выводится на нормальный уровень, и еще больше. Игра на бесконечно малых и бесконечно больших величинах. ИМХО должно быть шумы и нелинейности больше, чем в обычном включении ОУ с резисторной ООС. Попробуйте, но мне кажется, ЗЧУ подходит олько для усиления медленных напряжений с промышленных датчиков.

Сообщение отредактировал Proffessor - Sep 16 2013, 11:30

[Alexashka]

Здесь получается, что пьезодатчик работает в режиме КЗ. Напряжение сигнала на входе усилителя падает за счет огромной входной емкости практически до нуля, затем огромным коэффициентом усиления ОУ выводится на нормальный уровень, и еще больше. Игра на бесконечно малых и бесконечно больших величинах. ИМХО должно быть шумы и нелинейности больше, чем в обычном включении ОУ с резисторной ООС. Попробуйте, но мне кажется, ЗЧУ подходит олько для усиления медленных напряжений с промышленных датчиков.

Боюсь Вы немного не так понимаете работу этой схемы. Она по сути тоже самое, что инвертирующий усилитель на ОУ (пример), только вместо активных сопротивлений R1, R2 работают реактивные емкостные сопротивления - Zдатчика и Zoc.
Инвертирующее включение ОУ ничуть не хуже привычного неинвертирующего с большим входным сопротивлением, а в чем то даже лучше. По шумам схемы почти идентичны. Схема ЗЧУ имеет одно большое преимущество в случае если датчик подключен к ЗЧУ через длинный кабель -в этом случае емкость кабеля практически не влияет на сигнал и на чувствительность схемы.
Да я пробовал уже, и просто на ОУ и на связке транзистор+ОУ - шумы очень низкие.

[Proffessor]

Схема ЗЧУ имеет одно большое преимущество в случае если датчик подключен к ЗЧУ через длинный кабель -в этом случае емкость кабеля практически не влияет на сигнал и на чувствительность схемы.

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

Сообщение отредактировал Proffessor - Sep 16 2013, 11:56

[Alexashka]

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

Смысл есть. Дело в том что эквивалентный шумовой заряд Qc предусилителя (при заданном Enoise ОУ) будет пропорционален полной входной емкости: Qc = Enoise*(Спэ + Свх + Скаб + Сос), куда входит в том числе емкость кабеля. Поэтому длинный кабель будет ухудшать соотношение сигнал/шум.

Генерации не будет, поскольку цепь ОС оказывается частотно независимой - емкость ОС - емкость датчика образуют частотно независимый делитель без лишних фазовых сдвигов. Ну если схема сделана без глупостей ессно.

Возможно тогда надо ставить резистор последовательно с выходом? Не каждый ОУ способен работать на емкостную нагрузку, это даже оговаривается в ДШ. Я обычно использую маломощные ОУ, с ними вообще беда, генерация запускается от каждого чиха.

Вот статейка, обратите внимание на рисунок 3 и резонансный пичок на частоте выше 1МГц -это оно самое и есть, как говорится в статье - trouble

[rudy_b]

Возможно тогда надо ставить резистор последовательно с выходом? Не каждый ОУ способен работать на емкостную нагрузку, это даже оговаривается в ДШ. Я обычно использую маломощные ОУ, с ними вообще беда, генерация запускается от каждого чиха.

Вот статейка, обратите внимание на рисунок 3 и резонансный пичок на частоте выше 1МГц -это оно самое и есть, как говорится в статье - trouble

Это несколько отдельный вопрос.

В теории - да визг может возникать. Делитель емкостной, а выходное сопротивление опера не ноль и получается дополнительное интегрирующее звено в ОС. И в указанной статье все правильно сказано. И для предотвращения этого действительно необходимо ставить резистор последовательно с датчиком, только величина резистора - деясяток-другой ом, а не килооомы. Это легко посмотреть на модели.

На практике - нет, поскольку датчик совсем не идеальная емкость. Он имеет потери и, следовательно, последовательный резистор в нем уже существует. Обычно его вполне хватает, особенно если усилитель подключен непосредственно к датчику, а не через кабель. Но, даже если потери малы - продольный резистор в 10-20 ом решает проблему и, практически, не добавляет шума.

И подобная проблема возникает только при малых усилениях, порядка 1-2. При усилениях более 10 (Сос=1/10 Сдатчика) такого, практически, не наблюдается.

P.S. Последовательный резистор на выходе опера только ухудшит ситуацию.

[Alexashka]

В теории - да визг может возникать. Делитель емкостной, а выходное сопротивление опера не ноль и получается дополнительное интегрирующее звено в ОС. И в указанной статье все правильно сказано. И для предотвращения этого действительно необходимо ставить резистор последовательно с датчиком, только величина резистора - деясяток-другой ом, а не килооомы. Это легко посмотреть на модели.

На практике - нет, поскольку датчик совсем не идеальная емкость. Он имеет потери и, следовательно, последовательный резистор в нем уже существует. Обычно его вполне хватает, особенно если усилитель подключен непосредственно к датчику, а не через кабель. Но, даже если потери малы - продольный резистор в 10-20 ом решает проблему и, практически, не добавляет шума.

Спасибо за подробный ответ.
С 1ком я конечно перезаложился -партия изделий была большая, решил сделать запас. А по шумам там все нормально было -уровень сигнала довольно большой и плотность шумов у 1кОм 4нВ/sqrt(Гц), а у используемого ОУ - 30нВ/sqrt(Гц), так что он кашу не портил
Я правда больше доверяю теории, чем практике. Практика только подтверждает теорию, но не всегда является адекватным показателем. Вот недавно был случай -сделал референс на 3,3В на REF3033 по схеме из даташита, на входе и выходе по 1мк. И долго не мог понять -почему шумовая полоска у референса такая здоровая -неск.милливольт. Потом отстроил осциллограф и понял что это генерешка. Поставил 4.7Ом по выходу и все стало замечательно. А мог ведь и не заметить этого. Кстати симуляция предсказывала генерешку, но я понадеялся на практический опыт ребят из Тексас Инструментс, и зря.

Кстати предложенный Проффессором вариант тоже работает:
http://www.megalithia.com/sounds/tech/piezo/fetamp.html

И даже патентован:
http://www.google.com/patents/US20040164647

А музыканты на заряд вообще плевать хотели
http://www.openmusiclabs.com/learning/sensors/piezos/

Дык схема не новая, она и в электретах применялась 20лет назад, и в PIR-сенсорах. А Профессор предложил сделать схему симметричной, что действительно хорошо, единственное что согласованную пару полевиков подобрать не легко, а сборки мне чтото не попадались.

[Proffessor]

...Профессор предложил сделать схему симметричной, что действительно хорошо, единственное что согласованную пару полевиков подобрать не легко, а сборки мне чтото не попадались.

Вглядитесь внимательно. Кроме симметрии еще одна интересная особенность: идеальная линейность. Известно всем, что полевой транзистор работает в идеально линейном режиме, если у него поддерживается постоянным напряжение сток-исток (не болтается в такт синусоиде). Здесь относительно земли на стоках будет напряжение постоянно, как у всякого дифкаскада, а на стоках поддерживается постоянным напряжениями на эмиттерах баполяров (у них на базах фиксированный постоянный потенциал). А значит напряжение сток-исток тоже будет постоянным. Если хочется идеальной симметрии, существуют согласованные пары полевиков в одном корпусе, например
U440, U441, LS5911, LS5912 от Linear Systems.
Биполярные пары: PMP4201, PMP4501, BCM847 от NXP Semiconductors.

Сообщение отредактировал Proffessor - Sep 19 2013, 13:51

[Alexashka]

Вглядитесь внимательно. Кроме симметрии еще одна интересная особенность: идеальная линейность. Известно всем, что полевой транзистор работает в идеально линейном режиме, если у него поддерживается постоянным напряжение сток-исток

Действительно...Ну а чтож Вы раньше молчали, а то уже 3 страницы исписаны про какието повторители.