Версия для печати темы

Автор: minzh Sep 5 2013, 08:59

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.

Автор: AlexFTF Sep 5 2013, 09:06

Что такое фантомное питание?

Автор: minzh Sep 5 2013, 09:21

Сигнал и питание передаётся по одним и тем же проводам.

Автор: Proffessor Sep 5 2013, 10:20

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.

Автор: minzh Sep 5 2013, 10:39

Спасибо, но не будет ли надёжнее на операционнике?

Автор: Proffessor Sep 5 2013, 10:49

Надежность не в последнюю очередь зависит от количества компонентов схемы. Супер-надежность микросхем по сравнению с дискретными транзисторами - не более, чем миф.
Если делать на операционнике, то требования к нему появляются специфические:
- JFET-входы;
- дифференциальный выход (такие ОУ большая редкость, тем более JFET).
Если нет ОУ с дифференциальным выходом, надо ставить два ОУ параллельно.
Кроме того, надо городить пассивные цепи развязки для фантомного питания ОУ. А это ненадежные электролитические конденсаторы.
Так что проблем здесь явно больше, чем с вариантом на ПТ.

Автор: Tarbal Sep 5 2013, 12:47

Изящно. И вопрос с питанием решен без применеия развязок.
Здесь и большого усиления по напряжения не надо. Главное понижен импеданс источника, а усилить можно в более комфортных условиях на казенной стороне.
Никто ведь не говорил, что усилитель должен быть однокаскадный, да и симметричный сигнал скорее всего надо будет конвертировать. Вот здесь операционник самое то.

Автор: Alexashka Sep 6 2013, 21:47

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.

Автор: ig_z Sep 6 2013, 22:41

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.

Автор: Tiro Sep 6 2013, 22:46

Можно, но не нужно. Правильнее все же передавать питание по 2 жилам и по ним же сигнал. Предложение было правильное, запитать усилитель через резисторы, переменку сигнала отделить конденсаторами на приемной части.

Автор: Tarbal Sep 9 2013, 00:02

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.





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.

Автор: sergk Sep 9 2013, 09:41

Может подойдет преобразователь 4-20мА, типа AD420 или любой другой +оу на JFET

Автор: minzh Sep 10 2013, 04:56

Наверное, эффект Миллера...


Это мне? Да, имхо, лучшее решение, но входы у платы только аналоговые.

И ещё вопрос, что с защитой от перегрузки?

Автор: sergk Sep 10 2013, 06:45

minzh:
входы у платы только аналоговые.

посмотрите например http://electronix.ru/redirect.php?http://www.ti.com/lit/ds/symlink/xtr117.pdf
защита по перегрузке (по входу)- стандартная для всех ОУ.

Автор: Tarbal Sep 10 2013, 14:14

Да эффект Миллера.

Лучшее решение вам предложил Proffessor.

Если под перегрузкой вы понимаете подключение к высокому напряжению, то поставьте стабилитроны параллельно полевикам и небольшие резисторы между стоком и линией. Они должны быть хотя бы раз в 10 меньше сопротивления нагрузки (которая на другом конце линии).
Стабилитроны должны быть не двунаправленными, а если нет другого выхода, то добавьте еще диоды в параллель к стабилитронам. при обратной полярности они защитят полевик.

Автор: Alexashka Sep 15 2013, 18:14

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.

Автор: Tiro Sep 15 2013, 21:02

Что за гидрофоны такие странные? Обычно большая емкость = большая чувствительность. Но это
Вы можете сделать так (предусилитель, ПУ):
1) запитать ОУ через резистор с сопротивлением, большим, чем минимальное нагрузочное для ОУ, резистор разместить в предусилителе;
2) застабилизировать питание ОУ стабилитроном и зашунтировать емкостью после резистора;
3) выход ОУ через конденсатор подключить к линии до резистора.
С другой стороны кабеля:
4) отделить приемник конденсатором;
5) подать питание на линию, чтобы в ПУ застабилизировалось питание ОУ, через дроссель или резистор, нужно считать;
6) приемник защитить от бросков на линии питания;
7) и очень хорошо убрать шумы с источника питания.

Автор: Tarbal Sep 15 2013, 22:32

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://electronix.ru/redirect.php?http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/30/N-channel_JFET_source_follower.svg/220px-N-channel_JFET_source_follower.svg.png

Автор: Alexashka Sep 15 2013, 22:35

U=Q/C, мое мнение такое, что если вы увеличиваете рабочую поверхность -возрастает отдача (количество генерируемых зарядов), но пропорционально растет и емкость, т.е напряжение на обкладках датчика не меняется. Однако ЗЧУ реагирует именно на заряд, поэтому он обнаружит увеличение чувствительности датчика.
С остальным - идея ясна, а эта схема опробована?

Автор: Tarbal Sep 15 2013, 22:37

Из линейности истокового повторителя следует линейность такого усилителя напряжения:
http://electronix.ru/redirect.php?http://www.talkingelectronics.com/projects/DataBook1/DataBook1-22-41_files/image019.gif

Автор: Alexashka Sep 15 2013, 22:43

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.

Автор: Tiro Sep 15 2013, 22:49

Насчет чувствительности подумаю, но мне кажется к заряду привязка неверная.
Насчет питания операционников через резистор - схема рабочая, только нужно все рассчитать, напряжения питания, нагрузки.

Автор: Tarbal Sep 15 2013, 23:40

Вот статья про эмиттерный повторитель говорит, что вторая гармоника 5*10^-5, а третья 5*10^-8.
http://electronix.ru/redirect.php?http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.207.1776&rep=rep1&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://electronix.ru/redirect.php?http://www.google.ca/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=9&ved=0CHQQFjAI&url=http%3A%2F%2Fextras.springer.com%2F2006%2F978-0-387-25746-4%2FChapter_18.pdf&ei=Y0A2UuSiJ4qa2gWV1YGIBA&usg=AFQjCNHzIYzUFsuiAVr7TIGZs4FkZ2Ik0A&sig2=okJgME3O8zkXDtQb-WdK3g&bvm=bv.52164340,d.b2I&cad=rja

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

Автор: Proffessor Sep 16 2013, 06:10

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.

Автор: Alexashka Sep 16 2013, 07:11

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%).


Этим и занимается ЗЧУ.


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.

Автор: Proffessor Sep 16 2013, 08:06

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?

Автор: Alexashka Sep 16 2013, 11:08

С каким этим ЗЧУ?
Вот к примеру http://electronix.ru/redirect.php?http://fablabs.ru/wiki/index.php/%D0%97%D0%B0%D1%80%D1%8F%D0%B4%D0%BE%D1%87%D1%83%D0%B2%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D1%83%D1%81%D0%B8%D0%BB%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C_%D0%B4%D0%BB%D1%8F_%D0%BF%D1%8C%D0%B5%D0%B7%D0%BE%D0%B4%D0%B0%D1%82%D1%87%D0%B8%D0%BA%D0%B0. 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.

Автор: Proffessor Sep 16 2013, 11:22

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.

Автор: Alexashka Sep 16 2013, 11:46

Боюсь Вы немного не так понимаете работу этой схемы. Она по сути тоже самое, что инвертирующий усилитель на ОУ (http://electronix.ru/redirect.php?http://www.mami.ru/kaf/aipu/theme4.php, 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.

Автор: Proffessor Sep 16 2013, 11:52

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

Автор: Tarbal Sep 16 2013, 12:10

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.

Автор: Alexashka Sep 16 2013, 18:00

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.

Автор: Tarbal Sep 16 2013, 18:17

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

А по поводу усиления тока и напряжения почитайте здесь:

http://electronix.ru/redirect.php?http://en.wikipedia.org/wiki/Current-to-voltage_converter

Вот преобразователь тока в напряжение:
http://electronix.ru/redirect.php?http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/e/e3/Classic_300.jpg

Автор: Alexashka Sep 17 2013, 07:11

Спасибо, почитаю, если вдруг забуду


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

Автор: Proffessor Sep 17 2013, 07:53

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.

Автор: Tarbal Sep 17 2013, 11:36

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

Автор: Alexashka Sep 17 2013, 11:50

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.



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

Автор: Tarbal Sep 17 2013, 12:19

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?

Автор: Alexashka Sep 17 2013, 18:25

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 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.

Автор: Tarbal Sep 17 2013, 20:02

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

Автор: rudy_b Sep 17 2013, 23:36

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.

Автор: Tarbal Sep 18 2013, 02:48

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.

Автор: Alexashka Sep 18 2013, 05:58

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.


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 http://electronix.ru/redirect.php?http://www.mkesc.co.uk/Chargeamps.pdf обратите внимание на рисунок 3 и резонансный пичок на частоте выше 1МГц -это оно самое и есть, как говорится в статье - trouble

Автор: rudy_b Sep 18 2013, 11:43

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.

Автор: Tarbal Sep 18 2013, 11:57

Кстати предложенный Проффессором вариант тоже работает:
http://electronix.ru/redirect.php?http://www.megalithia.com/sounds/tech/piezo/fetamp.html

И даже патентован:
http://electronix.ru/redirect.php?http://www.google.com/patents/US20040164647

А музыканты на заряд вообще плевать хотели
http://electronix.ru/redirect.php?http://www.openmusiclabs.com/learning/sensors/piezos/

Автор: Alexashka Sep 18 2013, 18:02

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.


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.

Автор: rudy_b Sep 18 2013, 18:19

Да, с источниками от TI я тоже на это нарывался. Т.е. идет генерация в зонах, указанных как стабильные.

А с музыкантов - что возьмешь, у них 1% нелинухи это нормально, даже "круто". Сборки полевиков (matched pair) http://electronix.ru/redirect.php?http://ru.mouser.com/catalog/English/102/482.pdf, но нелинуха все равно будет большой если без ОС.

Автор: Tarbal Sep 18 2013, 23:28

Это не дифференциальный каскад усилителя постоянного тока, где должны быть одинаковые дрейфы от температуры, а микрофонный усилитель, где постоянная составляющая пофиг.
Так что нет необходимости подбирать пары. Пропустить сигнал через кондер, чтобы отсечь постоянную составляющую и делу конец.

Автор: Proffessor Sep 19 2013, 11:01

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.

Автор: Tarbal Sep 19 2013, 14:22

Снимаю шляпу.
Меня кстати искажения не сильно напрягали.
Eсли учесть, что сигнал имеет маленькую амплитуду, то он и на нелинейном усилителе не имел бы сильных искажений.

Кстати еще одно достоинство этой схемы это повышенная помехоустойчивость, т.к. по кабелю идет сигнал в виде тока, а не напряжения.

Автор: rudy_b Sep 19 2013, 16:53

При входных сигналах порядка 1 мв такая схема работает неплохо. Но уже на 10 мв 3-я гармоника выходит на -80 дб, а при 100 мв она превышает -40 дб. А обычно хотят динамику более 100 дб. Т.е. для музыки сойдет, а для нормальных применений - вряд-ли. И кто мешает поставить опер и избавиться от проблем?

Автор: Tarbal Sep 19 2013, 17:09

На казенной части все равно ставится ОУ для преобразования симметричного сигнала, так на нем и усилить.

ОУ в качестве предусилителя -- вот где проблемы с питанием.

Автор: Alexashka Sep 19 2013, 17:22

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

Автор: Proffessor Sep 19 2013, 17:55

Как говаривали в старину - бумага все стерпит.


Если эти Ваши цифири не с потолка, то может быть схему моделировали? Тогда пожалуйста представьте исходный файл или хотя бы скриншоты, а то я пробовал моделировать в микрокапе, он почему-то у меня тупо заглючил.

От решения поставить ОУ проблемы только начнутся.

Автор: rudy_b Sep 19 2013, 18:11

Ессно моделировал. Но и делал подобное тоже. Схемка и картинки такие (Orcad). Это для 100 мВ, коэффициент усиления порядка 6. Но и при других параметрах будет примерно то же.


Наоборот, с ОУ проблем существенно меньше, но это уже дело вкуса.

Автор: Alexashka Sep 19 2013, 18:14

Тут видимо надо указать, что транзисторы работают на параболическом участке, т.е при малом Uси. Обычно то их используют на пологом участке, где вых.сопротивление и усиление больше. Но на этом участке зависимость Ic(Uзи) чисто квадратическая.

Вот сток-затворные характеристики для разных Uси. Самая нижняя (выделена серым) кривая довольно линейная в широком диапазоне напряжений затвора (ось Х), она соответствует напряжению Uси=0,25В, для каждой следующей кривой Uси увеличивается на 0,25В и зависимость все больше и больше начинает походить на параболу.

Автор: rudy_b Sep 19 2013, 18:31

Ага. И в ОУ напряжение на полевике поддерживается строго постоянным при изменении синфазного напряжения. А в ЗЧУ и синфазного нет. Плюс ОС.

Я много раз пробовал "простые" схемы. И головная боль при этом куда больше, чем если просто поставить хороший опер. Ну ессно ежели качество требуется.

Автор: Proffessor Sep 19 2013, 18:36

Видите ли, я предлагал несколько другую схему - с биполярами в верхнем этаже. С полевиками линейность должна быть заведомо хуже из-за их большого входного сопротивления со стороны истока (десятки Ohm у JFET против единиц и долей Ohm у BJT). Обратите внимание - в моей схеме сток нижнего JFET нагружен на эмиттер верхнего BJT и тем самым фактически по переменному току зашунтирован на землю, благодаря чему на стоке поддерживается в динамике постоянный потенциал.

Автор: rudy_b Sep 19 2013, 19:19

Я поставил вместо верхних полевиков BC107B и снизил напряжение смещения до 2 вольт, т.е. падение на полевиках стало 0.5 в.
Нелинуха уменьшилась, но 3 гармоника все равно на уровне 60 с небольшим дб. Т.е. как ни крути - все равно много.

Автор: Tarbal Sep 19 2013, 20:40

-60dB это 0.1% Вы делаете сверхточный измерительный микрофон?

Автор: rudy_b Sep 19 2013, 21:44

Для микрофона такого не нужно. А вот для виброметров обычное требование порядка 100 дб. Не знаю как для гидроакустики, но и там, наверное, тоже. Просто приходится ловить слабые сигналы на фоне больших помех и плохо когда все загажено их гармониками.

Посмотрите параметры виброакустических систем http://electronix.ru/redirect.php?http://signal.ru/catalog/izmerit.kompleksyi/vibr-acoustic. Стандартная цифра с переключением усиления - 120 дб, а ведь усиление идет дальше, предусилитель не переключается. Да и мгновенный (без переключения усиления) диапазон 117 дб. Отсюда и требования к нелинухе. И они вполне реальны, вот параметры некоторых ОУ

Автор: Tarbal Sep 20 2013, 03:00

Ну если все настолько серьёзно, то надо тщательнее подходить к вопросу.

Автор: Proffessor Sep 20 2013, 04:17

Тогда положение с нелинейностью должен спасти источник тока вместо истокового резистора дифкаскада. И более тщательный выбор режима постоянного тока полевиков. 0,5V напряжения сток-исток - это ненормально, транзисторы почти в насыщении, там должна быть приблизительно половина напряжения питания каскада. И проанализировать гармоники начиная не с 10kHz, как Вы делаете, а с 1-5kHz. Тогда будет честнее.

Автор: Alexashka Sep 20 2013, 04:48

А можно спросить откуда Ваша схема? Хотелось бы почитать подробнее.

Автор: Proffessor Sep 20 2013, 05:05

Схема эта - практически такая же, как первый каскад любого JFET-операционника. Читайте материалы о внутренней структуре ОУ.

Автор: НЕХ Sep 20 2013, 05:26

тогда ещё может проситься стабилитрон, фиксирующий напряжение между общей точкой истоков и базами верхних транзисторов каскода.
Если интересуют частоты выше 2 кГц, то нет равных полевику BF862.

Автор: Tarbal Sep 20 2013, 11:45

А вслед за ними и в лучших усилителях мощности низкой частоты конца 70-х середины 80-х годов.
Шушуринский усилитель, Бриг 001, Электроника 001

Автор: rudy_b Sep 20 2013, 12:43

Вот именно про это я и говорю. А потом еще, еще и еще... Не лучше сразу ОУ поставить, в нем все это уже сделано?

Автор: Proffessor Sep 20 2013, 12:45

Поставил ОУ и нет проблем - не получится. Вы сперва решите проблему подачи питания по сигнальной паре.

Автор: rudy_b Sep 20 2013, 12:58

А это, как раз, совсем не проблема. Решений несколько, зависят от требуемой полосы частот. Самое простое - транс с отводом от средней точки на обоих концах кабеля. Он, реально, работает как дроссель и не вносит искажений. Но если полоса широкая он заменяется на пары резисторов - менее эффективно, но результат тот же.

Да, забыл про самое эффективное решение - поставить туда-же АЦП и сразу гнать цифру. На современных компонентах можно, заодно, и процессор вставить.

PPS. А кто мешает гнать питание по одному проводу и сигнал по другому?

Автор: Proffessor Sep 20 2013, 13:42

Да, но здесь желательно сигнал передавать по витой паре (помехоустойчивый вариант). Это если Вы возьмете например четырехпарный кабель FTP 5 категории, там можете использовать одну пару для сигнала, остальные три - двухполярное питание, контрольный сигнал и прочее...

Автор: Tarbal Sep 20 2013, 14:57

И как вы собираетесь передавать сигнал постоянного тока через трансформатор?

Я тоже могу фантазировать, поставить Блутус и обойтись без кабеля, однако задача поставлена иначе.

Автор: Alexashka Sep 20 2013, 15:37

Чет вы батенька не того...УМ Шушурина: на входе КТ503, УКУ "Бриг 001 Стерео": на входе КТ315, входное сопротивление микрофонного входа 20кОм... дальше не стал смотреть.
Хорошие усилители, но явно не в тему тут.


Спасибо, кэп. Но использовать интегральную схемотехнику не хочу, уж больно она специфическая -вместо одного резистора там скорее поставят 3 транзистора. Мне не этого хотелось. Ну нет так нет.

Автор: rudy_b Sep 20 2013, 16:02

Это какого постоянного тока? С пьезодатчика?

Alexashka, а что именно вам нужно? Почему вам так интересна рассыпуха?

Автор: Alexashka Sep 20 2013, 21:37

Основное требование- отечественная элем.база, плюс т.к система автономная и много датчиков -нужно снизить потребление. Плюс динамический диапазон хотелось бы нормальный. На низких частотах в море огромные естественные шумы (особенно в шторм), поэтому большое усиление не сделаешь, а с малым усилением можно нахватать ненужных шумов и помех.
Ну транзисторы еще можно какието подобрать, а вот ОУ... Малошумящий и малопотребляющий, да еще с полевыми структурами на входе...Скорей всего буду делать в первом каскаде одиночный JFET, потом какой-нибудь микропотребляющий ОУ. ЗЧУ естественно (обратная связь с выхода ОУ на затвор JFET).

ЗЫ. Идея сделать симметричный вход для датчика походу себя не оправдывает- датчик как правило цилиндр с отверстием (электродами является внешняя и внутренняя поверхности), и емкость между внешней обкладкой и средой на порядок больше, чем для внутренней. Поэтому наводка по входам не будет синфазной. Делать диф.выход? Ну не знаю, имеет ли смысл, если сопротивление драйвера низкое, да плюс сигнальные провода в экране.

Автор: rudy_b Sep 20 2013, 21:42

Отечественные компоненты это строгая обязаловка? Или можно буржуйские если нет отечественных аналогов?
И какой частотный диапазон?

Автор: Alexashka Sep 20 2013, 21:52

В принципе можно и буржуинских, но такая система уже имеется, хотелось бы переделать под наши, не сильно изгадив характеристики
Диапазон 10-6000 Гц.

Автор: rudy_b Sep 20 2013, 22:42

На отечественных компонентах делать - намучаетесь. Несколько раз пробовали и влетали.

Посмотрите ADA4001-2. Дешевый, вход можно прямо к датчику подцепить, шумы и искажения малые, ток потребления - 2 мА (4 ма в сумме). На рассыпухе такого не сделать.

Да, если есть больная неравномерность сигналов по спектру - вы говорите большие сигналы на низких частотах - можно использовать предыскажение частотной характеристики с последующим ее восстановлением. Например продифференцировать сигнал в предусилителе, а затем восстановить его интегратором в усилителе.

Автор: Tiro Sep 20 2013, 23:32

Раньше для пьезокерамики были вне конкуренции AD743, AD745. Теперь они не рекомендованы для разработки, можно глянуть на ADA4627-1. Усилитель может получиться не хуже.

Автор: rudy_b Sep 20 2013, 23:50

ADA4627-1 получше, но стоит втрое дороже и жрет в 4 раза больше. Но это уже пусть Alexashka сам выбирает, у AD есть и еще несколько приемлемых деталей.

Автор: Tiro Sep 21 2013, 00:33

Так просто усилитель не сделать. Была давно напечатана статья Н.Сухова http://electronix.ru/redirect.php?http://www.nehudlit.ru/books/detail8284.html. Она уже совсем старая, но подход там грамотный и изложен последовательно, учтены источники шума, влияние шумового тока на шум связки источник сигнала-усилитель. В общем, нужное чтиво для ликбеза, рекомендую.

Автор: Alexashka Sep 21 2013, 12:49

А влетали по какой причине? Я знаю что нас ждет -и скудная документация и поставки по пол года и куча бумажек на поставку, с другой стороны, пока у нашего электронпрома не будет заказов мы так и будем сидеть в опе. Но это все лирика, а теперь по делу. На рассыпухе делал ЗЧУ на 2SK117 (на входе) и ОУ, с выхода ОУ на вход полевика ОС через параллельную RC цепь. Получилось очень неплохо по шумам, по искажениям не замерял, но симуляция давала хорошую оценку. И что самое главное - потребление всей схемы порядка 500мкА. Если подыскать отечественную замену полевику, то все бы получилось, т.к к ОУ особых требований уже нет (по входному сопротивлению и шумам,- т.к он идет вторым каскадом его вклад гораздо меньше).
По поводу предыскажений - сейчас так и планируем, т.е фильтр ВЧ 1-го, или 2-го порядка, своего рода компрессор для сигнала. И ослабление полезного сигнала в данном случае думаю не страшно, поскольку его затухание на низких частотах гораздо меньше, чем на высоких. Своего рода коррекция искажений в канале получается.
Но тут одна закавыка, довольно проблематично обеспечить устойчивость по такой схеме при малом усилении, а его хотелось бы сделать малым, т.к ФВЧ в предусилитель не вписывается. Точнее его можно было бы влепить между полевиком и ОУ, но тогда теряется вся фишка стабилизации рабочей точки полевика за счет ОС по постоянному току.


Спасибо, шумовые расчеты у меня все есть. Правда в половине случаев расчет не сошелся с экспериментом. Например ОУ OPA244 c биполярами на входе при работе на высокоомный источник (использовался эквивалент пьезика -керамический конденсатор) должен давать гораздо бОльшие шумы благодаря своим большим токовым шумам нежели OPA342, у которого фемтоамперные токи. Однако на макете первый оказался менее шумным. Конечно я не испытывал их при различных условиях -температура, питание и т.д, но факт есть факт и это не единственный пример.
Кстати сказать у нас выпускают такой интересный трансимпедансный усилитель 1432УП1 для ЗЧУ, с приведенным ко входу шумовым зарядом всего-навсего 270 электронов скв.
Правда и кушает это чудо 50мА!

Автор: Tiro Sep 21 2013, 15:40

А какая была эквивалентная емкость пьезопреобразователя? И частотный диапазон вниз?

P.S. Делали предусилители на AD743 с нижней рабочей до 5 Гц, но даже на 1 кГц не смогли приблизиться к шумам ОУ. Тракт шумел сильнее раза в 3, чем собственно ОУ.

Автор: rudy_b Sep 21 2013, 16:01

Ну, с отечественной электроникой проблемы видны сходу - серия 1432 на Пульсаре представлена http://electronix.ru/redirect.php?http://pulsarnpp.ru/index.php/2010-06-25-10-46-19/-1432.
Кроме проблем с документацией, заказом и получением, несоответствием параметров, и т.п. дважды напарывались на откровенный брак - микросхемы в штатном режиме (без нагрузок, в чисто тепличных условиях) работали час, потом дохли - т.е. наладку проходили, а 100% дохли уже у заказчика в течении первого дня работы. И это не одна деталь, а вся партия. И никаких претензий, сами понимаете, не предъявишь. Пришлось отзывать все приборы и менять чипы на буржуйские, сами понимаете последствия таких казусов. Снова наступать на те же грабли уже не хочется.

Кстати, по слухам, и с AD-шными деталями случались подобные казусы, но это исключения и там можно договориться. Сами не напарывались.

У нас нет электропрома - у нас есть только кучка воров, которые наживаются на этом понятии. И на тех людях, которые пытаются его поддержать. Проходили многократно, с тех пор не пытаемся спасать отрасль (читай - кормить толстопузых паразитов) из своего кармана.

А по делу - зачем нужен внешний полевик, если он уже есть в опере? Он там оптимизирован по площади, току и т.д. На внешнем полевике можно получить меньший шум - его площадь больше и получается как бы параллельное соединение нескольких маленьких полевиков, но всегда за счет тока потребления (выбор из сотен одного хорошего не рассматриваем).

Если вам реально нужен малый ток (т.е. батарейное питание аппаратуры) то можно подобрать с током менее 100 мка, но будут хуже параметры. Ежели брать с током менее 1 ма - то есть, например, AD8627 - 0.7 мА и неплохие параметры - поройтесь у AD. Хорошие шумовые параметры у оперов с током порядка 0.5 ма и более.

Т.е. поставить на входе опер с током порядка 0.5-1 ма с хорошими шумами, а вторым (или третьим) малопотребляющий опер с номальными выходными токами для работы в линию, на нем и частотку скорректировать.

Автор: Tarbal Sep 21 2013, 17:07

Я про диффкаскад.



Откуда я знаю, что надо измерять. Может давление? Используется схемотехника постоянного тока. Невероятные требования по нелинейным искажениям.
Если трансформатор можно поставить, то это самый простой способ преобразования сигнала в симметричный и обратно.



Про усиление.
Если вам подойдет автоматическое переключеное усиления х1, х10, х100, х1000, то я могу поделиться своей давней идеей, которая была реализована в железе и даже готовились выпускать устройство. Во всяком случае у меня есть заводская документация.
Полностью на отечественных компонентах. ОУ, пара корпусов 561 и один 752ПА1.

Автор: rudy_b Sep 21 2013, 17:11

Кстати, случайно нашел такую деталь http://electronix.ru/redirect.php?http://www.linearsystems.com/assets/media/file/LSK389.pdf
Согласованная пара и шум нормирован на 10 Гц - 2.5(макс-4) нВ/Гц^0.5 при 2 мА.

И стоит 3$ при 1000 шт.

Автор: Tiro Sep 21 2013, 17:24

Спасибо, напомнили.
Сделали для гражданки усилители с интеграторами на КР544УД2, DIP-8, 1995 год примерно. Все прекрасно работало примерно месяц, прошло настройку, предъявление и прогон. Начали отправку заказчику усилителей, всего 5 штук. Перед отправкой сдох интегратор в последнем усилке. При предъявлении у заказчика сдохли еще 3. Заменили все потом на LF411, которые были под рукой. Больше проблем не было.


А шумовой ток? Там еще есть дробовый шум на НЧ, нормируется в мкВ.

Автор: rudy_b Sep 21 2013, 17:36

Обычно нормируется в фа/sqrt(Гц). Для jfet, как правило - единицы.

Обычно он мал у JFET, но кто его знает. Указано только максимальное значение при 25*С - 200 пка - многовато, но часто просто перезакладываются.

Автор: Tiro Sep 21 2013, 17:55

Этого маловато. У AD743 дробовый шум напряжения 0,38 мкВ п-п в диапазоне 0,1-10Гц.

Автор: rudy_b Sep 21 2013, 18:39

У AD743 малый напряженческий шум, зато большой шумовой ток (входной ток порядка 200 пА), и вообще, в его описании они сильно мухлюют не указывая нормальных параметров, а приводя всякие кривые графики.

Но тут все зависит от сопротивления источника сигналов и/или его емкости. Если емкость пьезодатчика 1нФ, то на 1 Гц эквивалентное сопротивление будет порядка 160 МОм - посчитайте шум для AD743. Шум AD795 будет намного меньше. Для источников с низким сопротивлением - наоборот, но и тут есть лучшие альтернативы - AD797 - у него "50 nV p-p input voltage noise, 0.1 Hz to 10 Hz" при входном токе 250 нА.

Автор: Tiro Sep 21 2013, 18:43

Так я как раз спросил про Ваш источник.

Автор: rudy_b Sep 21 2013, 18:54

Пардон, неправильно указал входной ток AD797 - не пА, а нА, и не 100, а 250 (и не выиграл, а проиграл...) - поправил в посте.

Это вопрос не ко мне, но ТС, похоже, тихо испарился. Лучше задать его Алексашке, у него конкретный датчик.

Да, если интересно, то http://electronix.ru/redirect.php?http://kit-e.ru/assets/files/pdf/2010_01_46.pdf неплохая статья по выбору ОУ с нужными параметрами.

Автор: Tiro Sep 21 2013, 22:10

Статью потом посмотрю. А Алексашке поможем, если сможем. Тут все подкованные )))

Автор: Alexashka Sep 23 2013, 06:13

Хм..печально это все
Мы вот были в Миландре недавно, понравилось, видно что ребята хотят делать чтото хорошее и нужное, но спроса нет, посему и движение очень медленное. Накупили кучу отладочных плат и микросхем, посмотрим что получится.

По теме топика.

50 нФ. Диапазон снизу от 1,5 Гц.

2 rudy_b: мы с Вами както года 2 назад обсуждали МШУ для геофона, и Вы предложили концепцию в виде биполяр+ОУ, эту же идеологию я продвинул в усилитель заряда, заменив биполяр на jfet и получилось очень хорошо. Поверьте, я перепробовал массу оперов с низкими шумами и сравнительно низким потреблением (я тогда ограничивал потребление на уровне 0,5мА, поэтому выбор оперов был небольшой), вот например нашел тогда MAX4250 -если посмотреть у него шумы даже чуть меньше чем у предложенного Вами AD795 при том что ток потребления у него в 3 раза ниже, чем у AD795.
Так вот схема с jfet на входе (с той же самой полосой и емкостью датчика) давала шумы интегрально в 4,3 раза меньше.

Вот такая была схема, питание не показано -оно однополярное=3В. Опер на схеме не принципиален как я уже говорил, годится практически любой малошумящий (20-30нВ/корень из Гц). Цепочка V25, С80 и R443 -эквивалент датчика. Сложная RC схема на входе JFET - для правильной симуляции фликкер-шума транзистора -подгонял по шумовым фигурам из даташита.

Автор: rudy_b Sep 23 2013, 11:31

Много таких ребят. И чем им помогает министерство? А стоит им потом и кровью добиться успеха - им на раз-два предьявят претензии по смехотворному поводу, обвинят в куче нарушений, сменят директора и ку-ку, нормальный государственный рейдерский захват и будут пахать под эгидой какого-нибудь "олигарха".

Мы с MAXовыми деталями в последнее время стараемся не работать. После того, как фирма резко изменилась, что-то стало не то с их продукцией. Если раньше они строго соответствовали сказанному и были сделаны очень грамотно, то после перемен напарывались на откровенные баги (неоговоренные) в их деталях. Может сейчас они снова взялись за ум?

По параметрам это деталь просто отличная. Но смотрим внимательно. В заголовке
"They draw 400μA of quiescent supply current per amplifier while featuring ultra-low distortion (0.0002% THD), as well as low input voltage-noise density (7.9nV/!Hz) and low input current-noise density (0.5fA/!Hz)."

Сразу видны некие странности - напряженческий шум (7.9 нИ/..) приведен для 30 кГц - это не принято, в худшем случае для низкочастотных оперов приводят для 1 кГц. И хотя далее в тексте дается цифра и для 10 Гц (27 нВ/...), но неприлично. Для сравнения у AD795 на 10 кГц - 10 нВ/.. а на 10 Гц - 20 нВ/... Т.е. чуть хуже на высоких частотах и заметно лучше на низких. Токовые шумы на 1 кГц близки - 0.5 фа для MAX и 0.6 для AD.

Дальше - THD. На одних графиках (они не пронумерованы в MAX) он просто великолепен - THD+noise 120 дб (Av=1), но по соседним графикам при Av=10 он всего 0.1%!!! И это при заяве 0.0002%. Чему верить?

Но это я не к тому, что AD лучше. Просто с последними деталями MAX нужно быть весьма осторожными и проверять все параметры.

Насчет опера с биполяром - странно, я обычно использую именно JFET + ОУ. Примерно так

Это для импульсов и на высокие частоты, но идеология - та же.

Alexashka, если несложно - выложите пожалуйста полученные шумовые параметры, интересно сравнить.

Автор: Alexashka Sep 23 2013, 17:23

Я больше доверяю такому параметру как ЭДС шума в полосе 0,1...10Гц, т.к даже спектральная плотность данная для 10Гц ничего не говорит о характере распределения фликкер-шума. Точнее говорит конечно, но интегральная оценка всетаки достоверней, а у МАКса она меньше -0,76мкВ п-п, против 1мкВ п-п у Аналога. Хотя опять же это типовое значение. У Аналога хорошо, что они указывают максимально-возможное, на которое вообщемто и надо делать расчет. Но согласитесь по шумам они очень похожи.
А вот по искажениям смотрите- на первой странице они приводят значение чисто THD, а на графиках - THD+noise, нужно прикинуть, возможно это как раз изза вклада шумов. Если проинтегрировать шумовое напряжение на выходе во всей полосе частот и вычесть его из суммы (гармоники+шум) вполне возможно 0.0002% THD и получится. Зато у AD только один график и он без учето шумовой компоненты.

Биполяр я использовал для низкоомного датчика (геофон), по сравнению с маломощными сигнальными jfet они все-же выигрывают.

По шумам не могу сказать, все в тетрадке которая на работе, в связи с переездом я до нее не скоро видимо доберусь А что конкретно интересует? Я делал интегральную оценку в полосе 3кГц, спектральную плотность нечем было померять

По Вашей схеме: а это ЗЧУ или просто инвертирующий усилитель (емкость С35=1пФ смущает). С учетом делителя R42/R53 эквивалентное Roc выходит чтото порядка 1,7 ГОм

Автор: rudy_b Sep 23 2013, 20:46

Жаль. Просто хотел прикинуть что можно отжать без входного полевика, только на ОУ и сравнить с вариантом с полевиком.

Это именно ЗЧУ, но для пропорционального счетчика, который собирает заряд. 1 пФ - для большого усиления, заряд порядка 240 электронов усиленный (примерно в 100 раз) в пропорциональном счетчике. На 1 пф получается сигнал порядка нескольких мВ.

Автор: Alexashka Sep 24 2013, 06:13

ЗЧУ на МАХ4250 в 4,3 раза больше шумы, чем 2SK117 на входе + MAX4250. Сами цифры в тетради остались. Мне нужно было знать именно соотношение (выигрыш).
Перепроверил, полоса у меня была такая: 1,7 - 350 Гц. Практически основной вклад дает фликкер
Кстати у Вас нижняя граница полосы пропускания 90 Гц примерно? Тогда весь фликкер отсекается...
R66 не увеличивает шум?

______________________________
Вот что нашел: макет №1 с ЗЧУ по схеме, которую привел выше, далее следует усилитель-фильтр с полосой 1,8...350Гц. Общее усиление схемы составляет 56тыс. (если считать от источника V25 и до выхода усилителя-фильтра): шум на выходе 4,2мВ эфф.
И макет №2: первый каскад - ЗЧУ на MAX4250, далее также следует усилитель-фильтр с полосой 1,8...350Гц. Эквивалент датчика тот же что и в первом макете, а вот цепь обратной связи другая: Roc=47M, Сос=2,2нФ, изза этого общее усиление примерно 13тыс. однако уровень шума на выходе 4,4мВ эфф. Т.е как я и говорил выше, приведенный ко входу напряженческий шум у второго макета в 4 раза меньше. А т.к емкость датчика не менялась это означает что и зарядовый шум в 4 раза меньше.
Ну вот както так.
Нашел тетрадь! Вообщем при питание от батареек получено в схеме с 2SK117 шумы 2,9мВ эфф., что дает 2,76нВ/sqrt(Hz) приведенные к полосе 350Гц. Вообще с этого транзистора должно было получится порядка 1нВ/sqrt(Hz). Оптимальный ток стока считал, но с ним не намного лучше было...

Автор: rudy_b Sep 24 2013, 11:46

Спасибо, этого хватит для оценки.

R66 на шум влияет незначительно, выходное сопротивление источника сигнала намного больше. Но его наличие обязательно - при пробоях на вход попадает импульс с амплитудой до 1.5 кВ и это сопротивление защиты входа.

Эта схема - усилитель коротких импульсов длительностью несколько микросекунд. Дальше стоит фильтр, который обрезает полосу пропускания до, примерно, 300 кГц - 2 МГц, поэтому низкочастотные шумы не мешают.

Автор: damasking Jun 24 2018, 14:36

Перечитав всю ветку возникло несколько вопросов. Стоит примерно такая же задача, создания усилителя для датчика(цилиндр цтс-19 400Мом,7нф) нужен сигнал от 50-50000Гц, с наименьшими возможными шумами. Применял схема Усилителя Заряда на Оу. Удалось улучшить результат но мне необходим максимально возможное соотношение сигнал шум. Применял OУ, op2177, op284, ad8627, op97. По расчетам лучше себя должен был показать 8627 но лучшим оказался результат на op2177. заказал max4477. Что можете сказать по этому поводу, почему теор не сходится с практикой?

Автор: VNS Jun 24 2018, 17:14

Какой информационный сигнал поступает на вход датчика? Как установлен датчик? Есть ли демпфирование кристалла? Опыты с ним на столе и его работа в корпусе могут сильно изменить выходные характеристики сигнала и отношение сигнал/шум.

Автор: damasking Jun 25 2018, 05:11

Датчик представляет собой цилиндрик из пьезокерамики цтс-19, необходимо снять сигнал с него. Нужно создать что то на подобие гидрофона, но сам прибор доложен эксплуатироваться при высоких давлениях(сотни атмосфер) и высокой температуры (120-150 градусов).
Опытный образец прибора готов, но хотелось бы улучшить его чувствительность чтобы он чувствовал сигнал около 50-70дБ относительно 1 мкПа.


в данный момент пьезокерамика вклеена внутри трубы, то есть сигнал проходит через металлическую стенку, которая защищает датчик от внешнего давления.

Автор: VNS Jun 25 2018, 06:20

Металлическая стенка должна пропустить сигнал из среды с плотностью, например, воды. Удельные вес металла, воды,клея и керамики разные. Скорость распрастранения ультразвука тоже. Будет три перехода энергии волны: 1. Вода - металл; 2. Металл - клей; 3. Клей - керамика.
http://electronix.ru/redirect.php?http://engineering-solutions.ru/ultrasound/theory/
Суммарный коэффициент пропускания будет равен произведению трёх коэффициентов на каждом из переходов. Дополнительно нужно учесть поглощение энергии в слое защитной металлической стенки. Возможно, сигнал просто не доходит до керамики из-за потерь на переходах и в слое металла.

Автор: damasking Jun 25 2018, 07:02

C вами полностью согласен, в дальнейшем предполагается уменьшение стенки металла, и сам пьезоэлемент посадить на ось внутри данного защитного металлического капсуля и наполнение его жидкостью с примерно такой же плотностью как и сама внешняя среда в которой распространяются упругие колебания.

На опытном образце удалось, увеличить соотношение сигнал шум заменой ОУ на 2177 (выиграли примерно 20 Дб (10раз), но как я уже говорил хочется еще увеличить данное соотношение. Сейчас стоит вопрос создания усилителя чтобы еще увеличить соотношения сигнал шум. А далее уже отталкиваясь от этого пытаться увеличить чувствительность самой конструкции с датчиком, применяя калибровочную установку ( так же ведется создание).
Пред усилитель должен быть расположен как можно ближе к Пьезоэлементу? Сильно ли влияет поляризация самого элемента продольная или поперечная?( мой пьезоэлемент обладает продольной поляризацией).
Применение истокового повторителя увеличит ли отношение сигнал\шум? или можно пока что остановиться на ОУ?

Кто сталкивался с проблемой подбора ОУ для таких типов емкостных датчиков? понимаю что нужно для снятия сигнала с высокоомной нагрузки выбирать Оу с наименьшим возможным токовым шумом.

Автор: HardEgor Jun 25 2018, 08:54

Методом "научного тыка" конечно можно подобрать что-нибудь, но вначале, как минимум, надо снять спектр шумов и проанализировать кто шумит.

Автор: rudy_b Jun 25 2018, 11:31

Опыт показывает, что дискретный транзистор + опер дает заметно лучшие результаты, чем любой опер.

Но тут все проработано плохо, нужные параметры транзисторов, как правило, не заданы и часто можно нарваться на неожиданности, например использование мощного полевика вместо маломощного может сильно снизить шум.

Основное - это отбор полевиков - разброс по шуму - десяток раз. Плюс "правильное" "масштабирование" площади полевика - его емкость и емкость источника сигнала должны соответствовать (это уже мои домыслы).

Автор: VNS Jun 25 2018, 13:29

Начать нужно с рассчёта энергии, поступающей на защитную трубку. Её должно быть много и даже очень много для создания импульса тока, например, на базе транзистора. Использование индуктивного преобразователя, возможно, увеличит коэффициент использования поступающей энергии. Пъезокристалл всего лишь конденсатор, на обкладках которого появляется некоторое количество электронов.

Автор: damasking Jun 26 2018, 03:40

не могли бы вы по своему опыту, посоветовать ОУ которые давали не плохие результаты? Какие параметры ОУ прежде всего влияют на отношение сигнал/шум по схеме Усилителя заряда? В моем случаем случае потребление ОУ не играет особой роли так как прибор автономный,могу ставить любой по емкости источник питания. В схеме применено двуполярное питание -3/3 В. Применение Охранных колец обязательно? Применение металических защитных экранов над Оу сильно ли влияет на SNR?

А по теме дискретного транзистора, транзистор подключается как истоковый повторитель?




Брал из Хоровица форумлу для выбора ОУ который бы минимазировал бы шумы в некотором диапазоне частот при данном сопротивлении источника сигнала R

http://electronix.ru/redirect.php?https://postimages.org/

далее брал корень и получалось вот это по оси Y шум В/(hz)1/2 по оси X сопротивление в Ом



http://electronix.ru/redirect.php?https://postimages.org/

Актуально ли это для моего источника сигнала? или все таки то что датчик емкостной то сопротивление у него падает при возрастании частоты сигнала?

Автор: iliusmaster Jun 26 2018, 05:42

1. Оправдано применение внешнего транзистора, так-как в рамках интегрального техпроцесса добиться оптимальных характеристик сразу по шуму, смещению и входному току не получается. Добавление транзистора улучшает картину. Можно параллелить транзисторы, тогда шум уменьшается в sqrt N раз.
Потому как шум каждого транзистора некоррелированный (Можно параллелить ОУ, но это сильно дороже). Есть специальные транзисторы полевые с ультранизким шумом. Они очень дорогие и труднодоставаемые. Если надумаете, то поищу ссылку на производителя. Когда-то давно пользовал.
2. Применение охранных колец защищает больше не от шума, а от токов утечки. При большом входном сопротивлении, из-за токов утечки могут быть значительные смещения, которые сожрут ДД. Да и изменениепроводимости среды даст неконтролируемые сдвиги этого смещения.
3. В современной электромагнитной обстановке при большом входном сопротивлении экран не просто показан, он ОБЯЗАТЕЛЕН!

Автор: HardEgor Jun 26 2018, 06:26

Вам не сказали самого главного - датчик имеет комплексное сопротивление, проще говоря моделируется несколькими резонансными контурами.

Автор: rudy_b Jun 27 2018, 12:03

Посмотрите http://electronix.ru/redirect.php?http://www.analog.com/en/parametricsearch/11091#/p4502=600000|50000000&d=sel|4502|300|2687|4101|4102|4124|s3|s5|4108|2839|2840.

Автор: VNS Jun 27 2018, 14:27

Рекомендую поставить согласованную пару транзисторов типа 159НТ - есть современный аналог - и ещё один кристалл датчика, работающий вхолостую. Пара транзисторов включается по схеме дифференциального УПТ.

Автор: Alexashka Jun 28 2018, 19:02

Что за "схема Усилителя Заряда на Оу"?
При сравнении учитывали различные полосы пропускания каждого ОУ? Для корректной оценки можно чемто обрезать после усилителя, я обычно использую цифровой фильтр в осциллографе.
Какова нижняя частота среза усилителя? Может фликкер-шум сильно влияет (например у AD8627 фликкер в разы больше чем у OP2177).
Какая именно теория для расчета использовалась? Просто квадратичное сложение шумов тут не катит, если применяется ЗЧУ.
В общем приведите полную схему тогда будем гадать что с чем не сходится

Автор: VNS Jun 29 2018, 01:08

В данном случае механическая схема "подключения" датчика к источнику колебаний может не пропускать акуустический сигнал.

Автор: damasking Jun 29 2018, 05:34

прочитав многое понял что НЕОБХОДИМО в первую очередь знать импеданс пьезоэлемента. А после этого уже определив сопротивление датчика на каждой из необходимых частот, только уже тогда выбирать ОУ, с малым входным напряжением шума или малым входным токовым шумом(определить от чего будет вклад больше в результирующий шум)
Пришел max4477 с шум напряжением шума 4 нв и токовым 0,5 fA, получил шумы в 1,5 раза ниже чем с OP2177, у которого 8 нВ и 200fA.
Далее нагрел max4477 до 120 градусов чтобы увеличить токовый шум так как каждые 20 градусов в 2 раза повышается шум по току из-за того что на входе стоят ПТ у 4477( у Op2177 биполярные), в итоге не увидел изменение шума(не вырос). пришел к выводу что по токовому шуму 4477 имеет большой запас.
Хочу снять импеданс датчика, если можете подскажите как?
После снятие импеданса уже определюсь с окончательным выбором ОУ

Схема усилителя заряда стандартная, в цепи обратной связи кондер и резистор, коэф усиления беру максимально возможный 30-40Дб если позволяет ОУ(так как необходим сигнал до 50 Кгц), Нижняя частота среза примерно 100-500Гц(Определяется резистором в цепи обратной связи). На неинвертирующий вход(+) подаю землю)

Автор: rudy_b Jun 29 2018, 13:48

Датчик у вас широкополосный 50Гц-50кГц, поэтому, в случае ЗЧУ, его импеданс, практически, определяется его емкостью (7нФ по вашим данным) и существенно (с точки зрения шумов) зависит от частоты.

Так, при этом импедансе, на частоте 50 Гц токовый шум 200 fa будет давать добавку в 90 мкв (U=I * Xc(50 Гц)), а на 50 кГц этот вклад снизится до 90 нВ.

Соответственно вам следует выбирать опера с минимальным токовым шумом.

Автор: Alexashka Jun 30 2018, 10:07

Для ЗЧУ это не так. В нём токовый шум ОУ прямиком идёт на цепочку ОС, т.е шум на выходе не зависит от емкости датчика. Например для цепочки R||C = 10Мом||100пФ спектр.токовый шум в 200фА на корень из Гц даст на выходе вольтовые шумы 2мкВ на корень из Гц на низких частотах (до частоты среза этой цепочик = 158 Гц), и интегрально 32мкВ в полосе 50кГц. А например увеличение резистора до 100МОм приведет к увеличению спектрального шума до 20мкВ/Гц^0,5 и хотя частота среза цепочки снизилась до 16Гц интегрально шум увеличился до 100мкВ.
Выше частоты среза этой цепочки токовым шумом можно пренебречь, но там начинает проявляться напряженческий шум ОУ, вот тут-то он уже будет давать основной вклад.

2 damasking: вот поэтому я и просил полную схему (с номиналами всех элементов), т.к было желание проверить в симуляторе.

Автор: rudy_b Jun 30 2018, 14:11

Нет, именно так. То, что входная емкость ЗЧУ намного больше емкости датчика ничего не меняет.

Источником сигнала, фактически, является заряд, возникающий в датчике безотносительно того, что стоит дальше. Шумовой ток опера суммируется (за заданный период) и меняет этот заряд. Т.е. шумовой ток создает шумовой заряд (ток за период заданной частоты) который суммируется со входным зарядом. А обратная связь практически не меняет соотношения сигнал/шум на входе опера, сигнал и шум усиливаются одинаково.

Чтобы посмотреть это на симуляторе, нужно формировать входной сигнал как заряд (источник тока, влючаемый на заданное время).

Но вот дальше есть куча вопросов. Что должен измерять датчик - амплитуду колебаний, колебательную скорость и т.п. Нужна ли линейность АЧХ по этому параметру. В зависимости от ситуации вклад шума окажется разным и оценить его приемлемость без дополнительной информации трудно.

Автор: Alexashka Jun 30 2018, 19:54

rudy_b не про то речь шла. Вы умножаете шумовой ток на импеданс датчика (U=I * Xc(50 Гц)) и считаете это как прибавку по шумам на выходе. Всё так если б датчик был подключен к НЕинвертирующему входу ОУ.
У ЗЧУ всё несколько иначе - там датчик подключен к инвертирующему входу, соответственно шумовой ток самого ОУ как и ток с датчика складываются, как в усилителе тока. При этом емкость датчика (и его импеданс, в разумных пределах ессно) не играет рояли.
Если считать отношение сигнал/шум, то емкость датчика тут опять же не причем, т.к если мы рассматриваем заряд генерируемый датчиком, то он не зависит от его емкости.

А вот с шумами напряжения всё гораздо хуже. Во-первых напряженческий шум ОУ усиливается им же в К=Сд/Cос раз (т.е как отношение емкости датчика к емкости обратной связи). Во-вторых, этот шум усиливается практически во всей полосе пропускания усилителя (т.е десятки кГц), в отличие от токового шума,который дает вклад только до частоты среза цепи ОС (обычно единицы-десятки Гц). И в третьих, внутреннее активное сопротивление датчика тоже создает тепловой (джонсоновский) шум, который также усиливается в К раз. Всё это в купе и дает эффект гораздо больший, чем токовые шумы ОУ, отсюда и результат - ОУ с малыми шумами по напряжению оказываются лучше.

Автор: rudy_b Jul 1 2018, 20:03

Alexashka, вы неправы, попробуйте на модели, сами убедитесь.

Отрубите ОС в опере - какой будет сигнал? А включение ОС одинаково ослабит и сигнал и шум, т.е. отношение сигнал/шум не изменится, поскольку входной заряд - уже сумма входного сигнала и шумового заряда, обусловленного шумовым током опера.

PS. Посмотри http://electronix.ru/redirect.php?https://arxiv.org/pdf/1603.05098.pdf, страница 20 и далее.

Автор: damasking Jul 2 2018, 03:12

я пересчитал по вашей формуле для 50 Гц получается не 90мкв а 90 нВ, а для 50Кгц 90пВ соответсвенно.
Что получается на практике, на АЦП у меня приходит где то 100 семплов, это около 0,004577 В , у меня 2 каскада первый К(1)=31 второй К(2)=60, общий К=1860, получаем из этого 2,46 мкВ, далее делим на корень из полосы пропускания берем 60кГЦ ето примерно 244, в итоге получаем примерно 10 нВ ( в каком то иностарном источнике помоему от AD видел что еше надо делить на 1,56) ну и если поделить то получаем 6,4 нВ.





в Обратной связи 220пФ и 1 МОМ ну и получаем частоту среза 680 Гц.




Получая на практике результаты тоже начинаю склоняться что ОУ с малыми шумами по напряжению лучше в данном случае, перепробовав почти все ОУ с малыми шумами по току, можете посоветовать какие нибудь ОУ с малыми шумами по напряжению и умеренным входным током. Сам же конечно поищу, но возможно найдется вариант побыстрее.

ЗЧУ с малым входным током наверно необходимы для низкочастотных сигналов( какие нибудь детекторы ион частиц), там получается сопротивление очень большое(на низких частотах)

Автор: rudy_b Jul 2 2018, 22:49

Просто, для примера - расчет входного шума по моделям для AD8610 (JFET, 6nV, 5fA) и AD797(0.9 nV, 2pA).
Модели фабричные, Orcad PSpice
Спектральная плотность входного шума В/Sqrt(HZ)

Схема


Как видно, опер с меньшим шумовым током дает намного меньший шум на низких частотах, несмотря на то, что его напряженческий шум в 6 раз выше.
А опер с малым шумовым напряжением выигрывает на высоких частотах.

Автор: Alexashka Jul 3 2018, 18:55

Ув. rudy_b, услышьте меня наконец О чем я толкую! Я пытаюсь донести, что импеданс датчика в случае рассмотрения шумовых токов НЕ ИГРАЕТ РОЛИ.
Вот даже в Вашей же статье на стр.22 видим формулу передаточной функции для шумовых токов Gin:

Gin = 1/(2*pi*f*Cf), где Cf - емкость обратной связи. Т.е передаточная функция это просто импеданс конденсатора обратной связи. И вклад токовых шумов в выходное напряжение шума есть произведение этого импеданса на величину токовых шумов (и на корень из полосы частот). Никакой емкости датчика тут нет.

И второе, дело не в отношении тока датчика и тока (шумового) ОУ, с этим никто не спорит (конечно ток датчика должен быть заведомо больше шумового тока ОУ)...Я о том, что превуалируют шумы напряжения ОУ, поскольку они дополнительно усиливаются и интегрируются в более широкой полосе частот.
Я раньше тоже симулировал по моделям ОУ и получалось совсем не то, что в жизни. Теперь я просто взял и вставил в схему эквивалентные источники шума напряжения и тока для этих ОУ и получилось, что AD797 лучше (шумы 350мкВ в полосе 50кГц на выходе), чем AD8610 (шумы 930 мкВ)

Верхние графики это спектральное распределение шумов приведенное ко входу для обоих ОУ, нижние - интегральное значение шума на выходе. Обратите внимание на выделенный график вверху (более низкие шумы на низких частотах) -это AD8610 (на высоких частотах приближается к 6 нВ/Гц), ему соответствует нижний график с более высокими интегральными значениями.

2 damasking
Update!! Исправил цифры в симуляции.
Для указанной цепочки ОС (220пФ||1МОм) у меня по симуляции получается 48мкВ шумов на выходе в полосе 60кГц для AD8610 и 67мкВ для AD797. Если 48 разделить на усиление (31) и на корень(60000), то получим 6,3 нВ/sqr(Гц), что близко к спектральной плотности шумов напряжения AD8610, т.к токовые шумы у него мизерные. А вот AD797 c такой большой емкостью в ОС даёт хуже результат.

Хотел сравнить с Вашими цифрами и запнулся:
Это как понимать - "скв" или размах??
Короче, попробуйте AD797 Не знаю что посоветовать, нужно моделировать разные варианты...AD797 хорошо смотрится если уменьшить емкость ОС, еще можно посмотреть AD8597. #s3gt_translate_tooltip_mini { display: none !important; }

Автор: rudy_b Jul 4 2018, 00:14

Даже смешно, говорим одно и то же, но никак договориться не можем.

На вашем первом графике приведен не входной, а выходной шум. Входной шум получается делением на коэффициент усиления, который для ЗЧУ в рабочей полосе частот равен Сдатчика/Сос. При этом из формулы исчезает Сос и остается только емкость датчика.

Я говорил, про спектральную плотность входного шума, вы - про интегральный шум. Ессно, получаются совершенно разные вещи.

Если вы работаете в низкочастотном диапазоне - предпочтительны ОУ с малым токовым шумом, поскольку импеданс емкостного датчика велик и основной вклад дает токовый шум. Поставьте верхнюю граничную частоту 10 кГц - и AD8610 будет лучше AD797.

Если работать нужно в высокочастотном диапазоне - то предпочтительны ОУ с малым напряженческим шумом, поскольку импеданс датчика мал и основной вклад дает напряженческий шум.

Кстати, приятно что спектральные плотности шума рассчитанные разными способами практически совпадают.

Автор: damasking Jul 4 2018, 03:32

Да на выходе я смотрел размах, ну и спектральную картину(Фурье)

Кстати у меня на плате стоял кварц 32кГц и он шумел) поменял на chip кварц шум стал меньше, далее отпаял от платы посадил на провода и наклеил его на мягкую наклейку) шум ушел) интересно конечно то что датчик ловит этот шум)

СПАСИБО что представили свои расчеты Rudy_b и Alexashka, после ваших расчетов картина начала проясняться, то что для моего диапазона частот необходимо одновременно низкий шум напряжения для высоких частот и низкий токовый шум для низких частот. Думаю MAX4477 с его 4нВ и 0,5 фА будет неплохим вариантом, ну а так же конечно хотел бы попробовать всему рекомендованный ad745 с его 2,9нВ и 6,9 фА.

Если конечно не хватит этого уровня шумов то придется думаю, как вы говорили ставить ПТ с низким шумом напряжения а далее ОУ.
Ну а прямо сейчас занимаемся изменение конструкции датчика, потому что увеличение его чувствительности хотя бы в 2 раза даст выигрыш в 6 Дб.
Так же необходимо снятие импеданса датчика, все таки думаю у него более сложная модель чем просто рассматривать как конденсатор.

Автор: rudy_b Jul 4 2018, 11:44

Учтите, что в наших расчетах не учтен фликкер шум. Его параметры для оперов практически не оговорены, можно только ориентироваться по интегральному шуму в полосе 0.1-10 Гц который обычно приводится.

В стандартных датчиках входной полевик встраивается сразу в корпус датчика и в кабель выведен его сток.

Автор: Alexashka Jul 4 2018, 12:56

Вот Вы о чем. Действительно, если смотреть приведенный ко входу результат, то проще рассматривать импеданс самого датчика без привязки к цепям ОС.
Вроде всё логично, с другой стороны датчик ведь является источником заряда, а не напряжения. И если перевести шум напряжения в зарядовый шум, то получим (просто умножаем напряжение шума на емкость датчика):
Qш = Uш*Сд, а т.к. приведенный ко входу Uш = Zд*iш = iш / 2πfCд, то
Qш = iш / 2πf - теперь уже емкость датчика сократилась, т.е эквивалентный шумовой заряд не зависит от емкости датчика.


Я бы сразу перешел на схему c полевиком на входе, единственное не забудьте сделать защиту затвора, т.к керамика при ударах способна генерировать неслабые киловольты.

Есть почти аналог макса AD8655, правда у него токовые шумы не дают, но они по определению низки, т.к это CMOS. У AD745 шумы 2,9нВ на 10кГц, у Ad8655 даже пониже - 2,7нВ.

Автор: rudy_b Jul 4 2018, 20:21

Тут есть масса тонкостей, но, в целом, это именно так - сравнивается заряд сигнала и шумовой заряд.

Но заряд сигнала, если величина перемещения фиксирована (амплитуда механических колебаний не зависит от частоты), определяется емкостью датчика (в т.ч.). Если я запараллелю два датчика - заряд сигнала удвоится, емкость тоже, а шумовой заряд не изменится, т.е. отношение сигнал/шум возрастет.

А вот если фиксирована колебательная скорость, то все несколько иначе - перемещение начинает зависеть от частоты - при увеличении частоты перемещение (амплитуда механических колебаний) уменьшается, соответственно уменьшается и заряд сигнала. И вот тут, соответственно, сильно меняется спектральная зависимость сигнал/шум.

В реале всегда нечто среднее. + резонансные частоты (многочисленные) + демпфирование (якобы эффективное) - получается каша, которую рассчитать практически невозможно, проще измерить.

Автор: damasking Jul 5 2018, 04:16

Да, надо будет подумать, так как прибор работает в агрессивных условиях и ударяться будет думаю часто)




Да посмотрел на него) думаю он даже будет получше чем ad745 и max 4477 да и дешевле намного на том же chipdip, главное не нарваться на подделку



Если я добавлю параллельно еще один датчик в моем случае увеличится ли сигнал/шум? Обязательно попробую после создания эталонного источника.



Для удаления низкочастотных шумов лучше добавить ФВЧ? помимо того что образуется в цепи обратной связи? Читал где то что в предусилителях от Bruel стоит дополнительный ФВЧ

Автор: Alexashka Jul 5 2018, 09:42

В целом согласен, работа датчика как антенны - собирать энергию из пространства, поэтому чем больше размер, тем больше сигнал, ну и ёмкость тоже больше. Тут правда надо учитывать длину волны, например на 30кГц в воде длина волны всего 5см, так что если фронт падает под углом и между датчиками 2-3см, то они могут оказаться работающими в противофазе.

ЗЫ. Я тут придумал критерий как определить доминирующий фактор шума -ток или напряжение.
Если увеличить емкость ОС скажем в 10 раз, то в случае доминирования шумов напряжения выходной шум уменьшиться также в 10 раз (шумы падают во столько раз во сколько падает усиление). А если доминируют токовые шумы, то шум упадет в 3.2 раза (как корень из 10, т.к в 10 раз сузится полоса пропускания токовых шумов). Соответственно меняем емкость и смотрим во сколько раз снизится шум - если ближе к 10ке, то нужно принимать меры по снижению шума напряжения, если ближе к 3-ке, то значит токовые шумы - основная проблема нашего усилителя.

Автор: rudy_b Jul 5 2018, 19:39

Что-то странное вы сказали, от емкости ОС входной шум практически не зависит, если отношение Сдатчика с Сос достаточно велико. Или имеется в виду полоса частот, обусловленная Сос и Rос?

Может проще снять шумовой спектр? Правда отличить токовый шум от фликкера вряд ли получится, но напряженческий шум будет хорошо отделяться от суммы токового и фликкера - у них спад с частотой.

Автор: Herz Jul 5 2018, 20:19

Респект! А откуда ёмкость в ОС знает характер источника шума?

Автор: Alexashka Jul 5 2018, 23:11

Зачем входной? ВЫходной смотрим, вольтметром

Объяснил же вроде
Емкость ОС изменяет частоту среза токовых шумов, если токовые шумы дают основной вклад в шумы на выходе усилителя, то изменение емкости (и соответственно изменение шумовой полосы) в 10 раз приведет к изменению интегрального шума в sqr(10) раз.
Если же основной вклад от шумов напряжения, то они возрастут в 10 раз, если емкость ОС уменьшить в 10 раз (т.к в 10 раз возрастет усиление по напряжению).
Если вклад равный от токовых и напряженческих шумов, то изменение будет гдето посредине между 3 и 10
Можете проверить в симуляторе.

Автор: damasking Jul 18 2018, 15:50

а для чего нужен еще один кристалл работающий вхолостую?

Автор: VNS Jul 19 2018, 01:39

Используется дифференциальная схема. На одном из кристаллов имеется полезный сигнал, а на другом отсутствует...

Автор: damasking Aug 2 2018, 05:36

Добрый день rudy_b и Alexashka. Собрал схему на ad8656 2,7 nV и почувствовал что шумы уменьшились и стали примерно 50-60 семплов против max 4477 4-5 nV (минимум 60 семплов). На практике получил примерно тоже самое, что и в предоставленных ваших теоретических расчетах. Большое спасибо за помощь.
У Ad8656 все таки приличный фликер шум, поэтому думаю ad745 идеальный вариант если собирать на ОУ, так как его фликер шум почти как у ОУ с биполярами на входе.

Уровень шума все таки не удовлетворил. Необходимо его еще уменьшить поэтому прикупил полевики низкошумящие 2sk170 и bf862. думаю собрать примерно по такой схеме:


http://electronix.ru/redirect.php?https://postimages.org/

Думаю поставить какой нибудь Оу с примерно 1 nV.
Если какие нибудь соображения по этому поводу?

Автор: iliusmaster Aug 2 2018, 07:53

http://electronix.ru/redirect.php?https://sci-hub.tw/10.1109/TNS.2004.832308

Смотрите в сторону параллельного соединения транзисторов на входе.

Автор: rudy_b Aug 2 2018, 15:38

Схема не оптимальная, по ссылке iliusmaster - более правильная.
1. Смещение на затворе равно 0. Тут полезно проснять зависимость крутизны от смещения затвора. Иногда оптимум шума получается при смещении 0.2-0.5 В. Но повторитель всяко даст больший шум,чем ОЭ(ОИ).
2. Каскод (сток полевика - эмиттер ОБ) - большая скорость + удобство стыковки с опером.

А вот дальше -там не совсем оптимально, но это уже не столь важно.

Для SK170 шум нормирован на 1 кГц, для bf862 - для 100 кГц.

Опыт показывает, что нужно проводить отбор в партиях SK170. Шум различается в несколько раз.

Автор: damasking Aug 2 2018, 16:41

я ориентировался на этот источник
http://electronix.ru/redirect.php?https://postimages.org/


так же думаю попробовать собрать схему на рис 4, с одним и двумя полевиками http://electronix.ru/redirect.php?https://electronix.ru/forum/index.php?act=attach&type=post&id=49081, если автор статьи не хитрит в чем то то должен получиться не плохой вариант. Только останется проверить схему при высоких температурах.
Так же нашел интересные статьи
http://electronix.ru/redirect.php?http://www.cordellaudio.com/JFETs/LSK489appnote.pdf
http://electronix.ru/redirect.php?http://www.janascard.cz/PDF/Ultralownoisehighbandwidthtransimpedanceamplifiers.pdf
http://electronix.ru/redirect.php?https://www.powerelectronictips.com/formidable-forgotten-fets/
http://electronix.ru/redirect.php?http://www.onsemi.com/pub/Collateral/AN-6601.pdf.pdf
http://electronix.ru/redirect.php?https://tf.nist.gov/general/pdf/821.pdf
http://electronix.ru/redirect.php?https://sci-hub.tw/10.1109/81.855453
http://electronix.ru/redirect.php?https://sci-hub.tw/10.1109/JSEN.2012.2186564
http://electronix.ru/redirect.php?https://sci-hub.tw/10.1109/JSEN.2017.2759000

так же искал биполярные с маленьким шумом по напряжению и токовым шумом порядка сотни фА но ничего пока не нашел, их удобно было бы использовать по при больших температурах

Автор: damasking Aug 16 2018, 09:30

Не могли бы вы привести пример схемы и какой уровень искажений давала симуляция?

Автор: VNS Aug 16 2018, 10:50

Выводы о "достоинствах" электронных схем усилителей без учёта характеристик кабеля не имеют смысла. Необходимо иметь информацию о типе применяемого кабеля во всех подробностях из первоисточника от фирмы-производителя. Много значит взаимное расположение элементов макета и "топология" раскладки кабеля.
В любом случае наведённые помехи на кабель и его жилы, соответственно, будут и поэтому следует рассчитать необходимый уровень подавления этой помехи, что даст возможность определиться со схемотехникой входной цепи усилителя.

Автор: Astor Sep 19 2018, 08:37

Вопрос в общем-то по сабжу, но с другого бока : динамический диапазон зависит не только от уровня шума усилителя, но и от того - какой уровень сигнала даёт сенсор.
Весьма часто в гидрофонах в качестве сенсора используют кольца наподобие ферритовых. На керамику нанесено серебряное покрытие - на внешнюю и внутреннюю часть кольца. К этим покрытиям припаиваются выводы, идущие ко входу у-ля со вх. сопротивлением не менее 1 ГОм. Чем крупнее это кольцо - тем больше и выходной сигнал, но тут возникают ограничения : чем больше кольцо - тем ниже собственный резонанс такого сенсора, а значит и ограничение полосы частот сверху. Для одиночного кольца с внешним диаметром 18 мм, внутренним 12 мм и шириной 10 мм собственный резонанс лежит в области 40 - 60 кГц. В принципе это высококачественный керамический конденсатор с ёмкостью порядка 2.5 нФ.
Напрашивается вопрос - а нельзя ли не увеличивая размера колец увеличить уровень выхода путём сложения сигналов от нескольких колец, механически изолировав кольца друг от друга, чтобы не обрезать АЧХ сверху.
Что если взять не одно, а два кольца соосно и соединить их параллельно - увеличится ли при этом уровень выходного сигнала вдвое ? Вроде как нет - суммирования сигналов не будет. Но увеличится вдвое ёмкость и станет порядка 5 нФ, а значит уменьшится вдвое импеданс и соответственно несколько уменьшатся шумы усилителя, поскольку сенсор подключен ко входу у-ля параллельно и будет частотно-зависимо шунтировать вх. импеданс у-ля.
Это - если соединять кольца электрически параллельно. А если соединить последовательно ? Понятно, что общая ёмкость станет вдвое меньше, но вот будут ли при этом суммироваться сигналы - ведь фронт звуковой волны воздействует на внешнюю поверхность колец в одной и той-же фазе ? Или я в своих рассуждениях в чём-то ошибаюсь ?
http://electronix.ru/redirect.php?https://postimages.org/

Автор: Rst7 Sep 20 2018, 12:06

Если Вы соедините кольца последовательно, то да, уровень сигнала возрастет. Но диаграмма направленности изменится - в первом приближении главный лепесток станет уже. Плюс там есть тонкости с дистанцией между осями - влияет на боковые лепестки.

Но имейте в виду, при последовательном соединении внешний электрод одного из колец будет ближе к воде - актуально, если изолирующее покрытие колец тонкое. Это лишняя емкость на землю, да еще и неизвестно, какие там токи текут по воде и какие будут помехи из-за наличия какого-то напряжения на обкладке конденсатора вода-изоляция-внешная_обкадка_кольца относительно схемной земли.

Автор: mvm54 Sep 20 2018, 18:33

Все антенны которые мне попадались, имели параллельное включение пьезоэлементов
(от нескольких штук типа вашего колечка, до сотни пьезоэлементов другой формы).
Параллельное соединение позволяет проще согласовывать работу на длинный кабель как на прием,
так и на передачу.
При соединении пьезоэлементов, надо соблюдать полярность.

Автор: Astor Sep 21 2018, 04:55

А почему - будет ли суммирование (пусть и неполное) ?

Автор: Rst7 Sep 21 2018, 07:59

Почему что? Почему будет суммирование при последовательном соединении?

Автор: Astor Sep 21 2018, 08:42

Будет ли удвоение выхода (примерно) при соединении, как на картинке в сегодняшнем посте от 8:55

Автор: Rst7 Sep 21 2018, 09:31

Будет. Для плоско падающей волны.

Автор: Astor Sep 21 2018, 12:09

А какова будет трёхмерная диаграмма направленности такого гидрофона, если цилиндрический металлический корпус расположен соосно с этой группой колец как на эскизе ?

Автор: Rst7 Sep 21 2018, 13:56

Ну очень примерно, для элемента высотой 10мм и частоты 50кГц (в воде)

Для двух элементов, высотой 10мм и расстоянием между центрами 13мм.



Это, естественно, в плоскости оси цилиндра (на графиках ось цилиндра проходит сверху вниз). В плоскости, перепендикулярной цилиндру будет круг (что очевидно).

Автор: Plain Sep 21 2018, 14:34

Когда-то видел подключение датчика ко входу трансимпедансного усилителя посредством трансформатора тока, как минимум 1:10, интересны мнения на эту тему.

Автор: blackfin Sep 21 2018, 14:58

А шумы от http://electronix.ru/redirect.php?http://femto.com.ua/articles/part_1/0270.html не помешают? Трансформатор же, поди, на ферритовом сердечнике?

Автор: Plain Sep 21 2018, 15:30

Да, ферритовом, но ведь напряжение на нём ноль.

Если абстрагироваться, пусть на воздушном сердечнике — что это даёт?

Автор: iliusmaster Sep 21 2018, 20:56

С трансформатором тока интересное решение. Но есть ряд вопросов.
1. Обычно трансимпедансные усилители работают с высокоомными источниками сигналов. Как согласовать высокоомный выход датчика с низкоомной обмоткой трансформатора тока?
2. Какой величины сможет генерироваться магнитное поле в трансформаторе при протекании тока величиной пико- и наноамперы?
3. Как защитить такой трансформатор от воздействия внешних магнитных полей, которые по величине скорее всего превысят целевое магнитное поле от датчика.

Думаю, что применять решение с трансформатором тока можно, но уж очень ограниченные условия применимости.

Автор: Plain Sep 21 2018, 21:06

При нуле напряжения сопротивление трансформатора бесконечно, соответственно потерь ноль, он действительно только умножает ток.

В оригинале были чашки порядка 6 мм, щупанье их пальцами на сигнал никак не влияло.

Автор: Astor Sep 22 2018, 05:30

Круг в плоскости, перпендикулярной оси - понятно, а вот в плоскости вдоль оси, учитывая влияние близости мет. корпуса к левому кольцу - видимо
правый лепесток станет больше левого ?
Интересно - а как эти диаграммы будут выглядеть в области сотен Гц - единиц кГц ?

Автор: Rst7 Sep 22 2018, 06:04

Левый и правый лепесток - они симметричны. Просто будет какое-то искажение вверху/внизу. А не левый от правого отличаться. Я про свои картинки. Ваш гидрофон нарисован горизонтально, а для моих картинок он должен быть вертикальным.



Как сфера практически.

Автор: Astor Sep 22 2018, 14:19

Я понял, что Ваши картинки для случая - ось вертикальна : тогда в горизонтальной плоскости даграмма - круг, в вертикальной - 8-ка.
Если представить, что в Вашем варианте гидрофон подвешен в воде и его корпус примыкает к кольцу сверху, то, по моему предположению 8-ка будет деформирована - верхняя "груша" станет меньше, чем нижняя.

Автор: Rst7 Sep 22 2018, 14:26

Ну какая-то деформация будет. Большая или нет - трудно судить.