Зарядочувствительный усилитель, теория и практика Опции

[Alexashka]

Всем доброго времени суток!
Братья-коллеги, прошу помощи. Я уже весь в непонятках((

Имеется работающая схема усилителя с пьезодатчика (приложил рисунок). Первый каскад -зарядочувствительный усилитель.
При работе с датчиком выяснилась необходимость увиличения чувствительности датчика, после чего я замерил собственные шумы усилителя с эквивалентом датчика (кондер С=50нФ) и обнаружил, что они более чем в 3 раза превышают расчетные. Моделировал в Microcap 9.0. Попытался расчитать их вручную (за неимением точной методики расчета руководствовался этим http://www.telesys.ru/wwwboards/analog/80/...es/29744.shtml). Получилось в 2 раза больше чем по результатам моделирования, но все равно меньше, чем реальные.

Дальше -хуже, перепробовав с десяток различных операционников в одной и той же схеме, я убедился, что нет никакого сходства между моделированием и практическим результатом!
Вот к примеру: ОУ OP8605 в этой же схеме (менялся только операционник на плате), дает 1,28мВ-эфф. шумов на выходе при моделировании. В реальной схеме -0,3мВ. АЧХ проверял - четко совпадает с расчетной.
Или вот: ОУ = OP97 -расчетное значение 4мВ, измеренное в реальной схеме -0,28мВ.
Или вот вчера получил: ОУ OP747 - биполярник с достаточно большими входными токами, вообще не хотел его проверять, т.к был уверен что не будет нормально работать... -по шумам оказался самым лучшим - 0,2мВ-эфф!! (расчетное 0,35мВ)

Может кто подскажет что я не так делаю, схему в микрокапе прикладываю.
И вообще, как правильно посчитать по шумам зарядочувствительный усилитель?

ЗЫ. интересно еще было бы попробовать какиенибудь схемки с полевичками на входе...хотя в свете последних данных насчет OP747, может лучше с биполярником?))
ЗЫЫ. предчуствуя Ваши вопросы...да, есть гораздо более малошумящие ОУ, например AD745. к сожалению схема ограничена по току -не более 1мА.

Эскизы прикрепленных изображений

 

Прикрепленные файлы

 USILIT_Geoph_noise2.rar ( 11.37 килобайт ) Кол-во скачиваний: 67

 

[sysel]

Сталкивался с проблемой постороения усилителя заряда для пьезоэлектрического акселерометра.

В нашей системе ВС-207 (www.visom.ru) мы развили эту схему, в итоге получив на практике СКЗ шума 22мкВ (от 1Гц до 10КГц) и динамический диапазон > 110дБ. Схему дать не могу, но идея из даташита на AD745.
В интеграторе конденсатор 1120 пФ.

По пьезоэлектрическим акселерометрам тема раскрыта ТУТ

[Alexashka]

Схему дать не могу, но идея из даташита на AD745.
В интеграторе конденсатор 1120 пФ.

По пьезоэлектрическим акселерометрам тема раскрыта ТУТ

там много схем какая именно послужила прототипом если не секрет?
за ссылку спасибо, то что она от самих Брюль и Кьер вдвоейне ценно

[sysel]

там много схем какая именно послужила прототипом если не секрет?

Фигура 15, вот эта:

Эскизы прикрепленных изображений

 

[Alexashka]

Фигура 15, вот эта:

я так понимаю эта схема есть аналог схемы №5, только с улучшенной работой по постоянке? И в частности позволяет выкинуть компенсирующие элементы (Cb, Rb На схеме 5), польза от которых если я правильно понял - компенсировать входные токи ОУ и улучщить форму АЧХ на высоких частотах.
Еще вопрос, как Вы относитесь к установке вместо большого R в обратной связи делителя? По идее токовые шумы от этого должны возрастать? А вот назначение делителя R2, R3 (по приведенной Вами схеме) не понятно, при условии наличия за ней резистора 110 МОм.

Для выбора подходящей элементной базы и схемотехники надо бы знать полную эквивалентную схему датчика и диапазон рабочих частот. А также требуемое отношение сигнал/шум в этом диапазоне (интегрально или с разбивкой по полосам), для чего нужны параметры сигнала с датчика. Ну, или приведённым ко входу шумом для данного источника сигнала задаться...

ЗЫ. Моделялками при определении шумовых параметров усилителей пользоваться не рекомендую, т.к. даже весьма уважаемые производители зачастую приводят совершенно не соответствующие действительности модели. Не только интегральных усилителей, но и дискретных транзисторов.

Данные рекомендации не совсем понятны.

Схема датчика С||R=50нФ||1ГОм, диапазон частот (10...250) Гц. Интегральный шум прив.ко входу 0,1мкВ (требуемый).
С моделялками пока ясно одно, что лучшая теория в данном случае -это практика
А с рекомендациями все просто: датчик генерирует заряды, при большой емкости датчика индуцируемое напряжение (оно обратно пропорционально емкости) мало и ставить его по схеме измерителя напряжения нецелесообразно.

[Stanislav]

Схема датчика С||R=50нФ||1ГОм, диапазон частот (10...250) Гц. Интегральный шум прив.ко входу 0,1мкВ (требуемый).

По-моему, данная величина не является чем-то из ряда вон выходящим для данного источника.
Для построения такого усилителя-преобразователя нужен лишь подходящий входной активный элемент, с низким уровнем широкополосного шума и низкой частотой среза фликкера. Навскидку - менее 5 нВ/sqrt(Гц) и менее 1 пА/sqrt(Гц) среднеквадратичных в данной полосе должны подойти.
Оперов таких существует сейчас довольно много.

А с рекомендациями все просто: датчик генерирует заряды, при большой емкости датчика индуцируемое напряжение (оно обратно пропорционально емкости) мало и ставить его по схеме измерителя напряжения нецелесообразно.

Ну, во-первых, напряжение датчиков не обязательно "обратно пропорционально ёмкости", а определяется его конструктивными особенностями. Может так случиться, что оно от ёмкости не будет зависеть вовсе. Или будет прямо пропорционально ей.

Во-вторых, вопрос о выборе усилителя - весьма спорный.
Преимущества зарядочувствительного усилителя состоит лишь в том, что выходной сигнал будет пропорционален количеству инжектируемого во входную цепь заряда, и не будет зависеть от частоты. Ну, и в том, что датчик можно подключать через кабель.
Усилок же с "рекордными" показателями, по-моему, должен быть именно усилителем напряжения, и - без обратной связи на вход. Я бы на полевичке, пожалуй, изваял, а усилитель-корректор поставил после него. Полевичок должен быть расположен в непосредственной близости к датчику.
Полевичок - типа 2SK269, 2SK370, 2SK371 или подобный, с P-N переходом и высокой крутизной характеристики в рабочей точке. Можно и экзотику с 0,25 нВ/sqrt(Гц) поискать, да только стОит ли?
Правда, большой максимальный уровень сигнала может внести ограничения. У Вас какой? Лучше в вольтах.

Или вот вчера получил: ОУ OP747 - биполярник с достаточно большими входными токами, вообще не хотел его проверять, т.к был уверен что не будет нормально работать... -по шумам оказался самым лучшим - 0,2мВ-эфф!! (расчетное 0,35мВ)

Да какое же это "расчётное"?
Типовой уровень шума напряжения данного опера в этой полосе составляет около 14 нВ/sqrt(Гц).
В полосе 240 герц это даст 14*sqrt(240) = 217 нВ эффективных.
Шумы тока данного ОУ малы, и дадут прибавку менее 10 нВ эфф, что несущественно.
Прикидка хорошо согласуется с измерениями.
Учитесь считать "руками", и будет Вам счастье.

[jam]

Усилок же с "рекордными" показателями, по-моему, должен быть именно усилителем напряжения, и - без обратной связи на вход. Я бы на полевичке, пожалуй, изваял, а усилитель-корректор поставил после него. Полевичок должен быть расположен в непосредственной близости к датчику.

Ну не бывает такого, чтоб ЗЧУ и без обратной связи - например 0.2пф (разумеется паразитный) с 300Мом даёт вполне измеряемую постоянную времени. Правда мои усилители работают на частотах порядка 100кгц и со входными ёмкостями поменьше. Когда сигнал большой , предпочитаю ставить ёмкость явную, поскольку не доверяю точности конструктивно-паразитных.
Думаю, что сделать рекордный усилитель с датчиком 1нф на 250Гц не проблема , нужны только подходящие полевики, например IF3602, а вот с 10нф не знаю как быть.