предусилитель для пьезокерамического гидрофона Опции

[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.

[Tarbal]

1. Да, правильно, по сути это интегратор. Я лишь хотел объяснить "на пальцах" как работает схема.
Наличие резистора R не означает, что оно начинает интегрировать напряжение, скажем так...на высоких частотах, для которых импеданс конденсатора обратной связи много меньше сопротивления R, 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 R).

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.

Знаю я, что КНИ низким будет, я просто вам вернул вашу фразу

А по поводу усиления тока и напряжения почитайте здесь:

http://en.wikipedia.org/wiki/Current-to-voltage_converter

Вот преобразователь тока в напряжение:
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/e...Classic_300.jpg

[Alexashka]

А по поводу усиления тока и напряжения почитайте здесь:

http://en.wikipedia.org/wiki/Current-to-voltage_converter

Вот преобразователь тока в напряжение:
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/e...Classic_300.jpg

Спасибо, почитаю, если вдруг забуду

Знаю я, что КНИ низким будет, я просто вам вернул вашу фразу

Повторитель на одном транзисторе это далеко не тоже самое, что повторитель на одном ОУ

[Proffessor]

1. Да, правильно, по сути это интегратор. Я лишь хотел объяснить "на пальцах" как работает схема.
Т.е какой бы плохой КНИ не был у схемы без ООС, с ООС он будет очень и очень мал.

Неплохо бы еще определить конкретные в числовом выражении "без распальцовки" требования по нелинейным и интермодуляционным искажениям, по шумам, а также по максимальным уровням сигналов датчика или если это влом, хотя бы выразить какой нужен динамический диапазон.

[Tarbal]

Спасибо, почитаю, если вдруг забуду

Так вы не знаете чем отличается инвертирующий усилитель от усилителя тока.

[Alexashka]

Неплохо бы еще определить конкретные в числовом выражении "без распальцовки" требования по нелинейным и интермодуляционным искажениям, по шумам, а также по максимальным уровням сигналов датчика или если это влом, хотя бы выразить какой нужен динамический диапазон.

Тема вообщем-то не моя, но коль Вы спрашиваете меня, то я считаю (цифры довольно грубые, т.к сам еще не определился с требованиями к гидрофонам): КНИ<=0,1%, SNR>=70дБ.

Так вы не знаете чем отличается инвертирующий усилитель от усилителя тока.

Update.
Хм...кажется я понял в чем дело, мы говорим про разные резисторы. Вы имели ввиду резистор, который последовательно с датчиком. А я говоря про резистор R имел ввиду Rнагр. Исправил сообщение #32 изза которого начался весь сыр-бор

[Tarbal]

Тема вообщем-то не моя, но коль Вы спрашиваете меня, то я считаю (цифры довольно грубые, т.к сам еще не определился с требованиями к гидрофонам): КНИ<=0,1%, SNR>=70дБ.


А чем отличается горькое от зеленого?
Ладно, тогда скажите в чем я не прав.

1. Операционный усилитель в линейном режиме изменяет потенциал инвертирующего входа так, чтобы он был равен потенциалу неинвертирующего входа.

2. Входной ток ОУ настолько мал, что его считают нулевым.

Исходя из этих двух замечаний устройством с токовым входом будет только устройство c источником непосрeдственно подключенным к инвертирующему входу.

Источник, подключенный через резистор будет представлен током, через этот резистор, а значит (через закон Ома) напряжением, приложенным к этому резистору.
Отсюда легко получить коэффициент усиления инвертирующего усилителя на ОУ (по напряжению).

Можно другими словами. Измеритель тока имеет нулевое сопротивление.

Кстати верхние частоты не будут ослаблены только если нулевое сопротивление нагрузки. Ток есть, а изменения напряжения нет. Конденсатор может влиять на напряжение, а не на ток.


Про самовозбуждение это вы преувеличили. Никогда не видел чтобы интегратор самовозбудился.

Кстати со времен К140УД1 и К140УД2 ни разу не видел, чтобы линейная схема на ОУ возбуждалась.

Хотите расскажу от чего возбуждаются усилители?

[Alexashka]

1. Операционный усилитель в линейном режиме изменяет потенциал инвертирующего входа так, чтобы он был равен потенциалу неинвертирующего входа.

2. Входной ток ОУ настолько мал, что его считают нулевым.

Исходя из этих двух замечаний устройством с токовым входом будет только устройство c источником непосрeдственно подключенным к инвертирующему входу.

Источник, подключенный через резистор будет представлен током, через этот резистор, а значит (через закон Ома) напряжением, приложенным к этому резистору.
Отсюда легко получить коэффициент усиления инвертирующего усилителя на ОУ (по напряжению).

Можно другими словами. Измеритель тока имеет нулевое сопротивление.

Кстати верхние частоты не будут ослаблены только если нулевое сопротивление нагрузки. Ток есть, а изменения напряжения нет. Конденсатор может влиять на напряжение, а не на ток.


Про самовозбуждение это вы преувеличили. Никогда не видел чтобы интегратор самовозбудился.

Кстати со времен К140УД1 и К140УД2 ни разу не видел, чтобы линейная схема на ОУ возбуждалась.

Хотите расскажу от чего возбуждаются усилители?

Прочитал все тезисы. Вообщем согласен, только это все действительно для идеальных ОУ, в реальных нужно учитывать и входные токи и то что выходной импеданс !=0.
Я уже отписал выше, почему мы не поняли друг друга. Я написал вместо Rнагр просто R (лень было переключать раскладку и дописывать букавки, но потом взгялнув на схему понял что произошла путаница -R это совсем другое сопротивление, так что я извиняюсь что ввел в заблуждение).
Про измеритель тока я не спорю, у идеального амперметра собственное сопротивление =0. Но надо понимать, что в инженерной области нет ничего идеального, приходится сталкиваться с реальными ОУ, реальными источниками сигналов (где Вы видели источник ЭДС с нулевым импедансом? ), поэтому приходится идти на компромисы стараясь не замечать некоторые неидеальности окружающего мира.
Вот Вы говорите

Источник, подключенный через резистор будет представлен током, через этот резистор, а значит (через закон Ома) напряжением, приложенным к этому резистору.

А о каком источнике речь? Напряжения? Тогда да. А если это источник тока? Будет влиять этот резистор? Продолжу мысль...а если это просто источник с очень большим импедансом (Z>>R), будет влиять резистор? Наверно нет или практически нет. Ну а теперь посмотрите на схему еще раз и скажите, заменив пьезокерамический датчик условно емкостью С=10нФ, на каких частотах будет сказываться это R=1кОм. И сравните с частотами гидроакустических сигналов.

Про самовозбуд. Да я видел его много раз. Попробуйте подключить емкость между инвертирующим входом ОУ и землей, а даже в случае интегратора- подумайте, как себя поведет ОУ с подключенной к его выходу цепочкой из 2 конденсаторов.
Про быстродействующие ОУ вообще говорить нечего, они возбуждаются даже от емкости монтажа на инвертирующем входе. И возбуд не всегда виден. Он может быть незаметным, величиной в единицы милливольт и проявиться в самый неподходящий момент.

[Tarbal]

Емкость подключать к инвертирующему входу не доводилось. Хотя допускаю, что может возбудиться. Спорить не буду.

Сообщение отредактировал Tarbal - Sep 18 2013, 02:52

[rudy_b]

ЗЧУ используются для пъезокерамических датчиков по нескольким причинам.
1. Коэффициент передачи заряда пары датчик-усилитель практически перестает зависеть от частоты
2. Шум предусилителя минимизируется - нет резистивных элементов
3. Коэффициент передачи (преобразования заряд-напряжение) перестает зависеть от емкости датчика.

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.

Но сделать усилитель с малыми искажениями при однопроводной фантомной схеме питания трудно. Если есть возможность, лучше сделать дифференциальный выходной сигнал. Или питать по одному проводу, а сигнал гнать по другому.

[Tarbal]

ЗЧУ используются для пъезокерамических датчиков по нескольким причинам.
1. Коэффициент передачи заряда пары датчик-усилитель практически перестает зависеть от частоты
2. Шум предусилителя минимизируется - нет резистивных элементов
3. Коэффициент передачи (преобразования заряд-напряжение) перестает зависеть от емкости датчика.

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.

Но сделать усилитель с малыми искажениями при однопроводной фантомной схеме питания трудно. Если есть возможность, лучше сделать дифференциальный выходной сигнал. Или питать по одному проводу, а сигнал гнать по другому.

Если бы мне предстояло решать эту задачу, то я бы начал с предложенной Профессором схемы.
Преимущества:
1. Симметричный сигнал сильно помехоустойчив
2. Простота
3. Естественность при подключении питания.
4. Симметричный сигнал погасит наводку 50 герц, которая зачастую бывает между землями.

Недостатки:
1. Завал верхних частот. Возможно его можно будет вытянуть. Ведь виниловые пластинки не использовали преобразователей заряда, но качество звука с пьезо датчика было вполне достойным и на верхних частотах. Какой спектр надо обеспечить?


Шум предусилителя обеспечивается полупроводниками в большей мере чем резисторами.

А если хочется частотно-независимого сигнала, то поставить два транзистора с общей базой. Тока не усилит, но по напряжению можно неплохо поднять. В принципе можно добавить эмиттерный повторитель. Но схема сложнее выходит. К тому же ток преобразует в напряжение, но надо будет проинтегрировать в конце для получения сигнала пропорционального заряду.

Схема такая:

в коллектор включается линия с нагрузочным резистором на другом конце. С коллектора идет делитель на землю. База подключена к средней точке делителя. Между базой и емлей ставится конденсатор. Последовательно с эмиттером резистор на землю. Собрать две такие схемы и между эмиттерами включить датчик. C питанием нет проблем и симметричный выход налицо.

Сообщение отредактировал Tarbal - Sep 18 2013, 02:51

[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.

[Tarbal]

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/