В свое время, лет пять назад, срисовал схему входного каскада известного тогда в медицинских кругах миографа Nicolet Viking IV. Ключами условно показаны аналоговые коммутаторы, которые включают/отключают "фильтр радиопомех" (индуктивность 820 мкГн очевидно нормально замкнута). Не показаны также цепи измерения импеданса электродов (меня они не интересовали).
Собственно необходимость дополнительного фильтра радиопомех вызывает большое сомнение. Насколько мне известно, его никогда не включают, и по моим прикидкам, он только ухудшает помехозащищенность от сетевой помехи.
Аналоговая схемотехника, конечно, развивается не такими бурными темпами как цифровая, но интересно, появилось ли что-нибудь новое с тех пор?
P.S. Для справки. Полоса входного сигнала 0.2 - 20000 Гц, уровень собственных шумов в этой полосе - около 5 мкв пик-пик или 0,7мкв rms, входное сопротивление 100 МОм.

У Хоровица м Хилла (Искусство схемотехники) было подробное описание усилителя биопотенциалов

В этой схеме вызывает большое сомнение не необходимость дополнительного фильтра радиопомех, а то как он реализован. Решение не самое лучшее - использование LC-фильтров по входу усилителя ни к чему хорошему не приводит. В дорогих приборах при серьезном подходе к разработке совсем другие схемные решения, которые как правило в литературе не встречаются.

А в борьбе с помехами никогда общих рецептов и не было. Каждый случай индивидуальный и оптимальное решение есть только для него. Есть правда одна проблема - в связи с развитием цифровой фильтрации аналоговой части стали уделять меньше внимания. В результате ряд приборов 60-х, 70-х годов по помехоустойчивости лучше современных.

Когда Хоровиц и Хилл называли книгу "Искусство схемотехники", они под понятием "Искусство" скорее всего предполагали нечто другое, чем срисовывание из книги схемы двадцатилетней давности.
Извиняюсь, если кого обидел

Другое схемное решение - это использование RC - фильтра, причем С - это входная емкость полевых транзисторов (либо операционников). Встречается в более дешевых моделях. Вобщем-то и такого фильтра достаточно. LRC все-таки лучше - поскольку активное сопротивление меньше, соответственно меньше шумов. Плохо, когда навешивают дополнительную емкость по входу. Увеличение входной емкости, собственно, и приводит к ухудшению помехоустойчивости (я имею в виду сеть и гармоники).

не совсем понял для какой методики (экг ээг др) вам нужен усилитнль био потнциалов
смущает верхня граничная частота 20кгц
обясните поподробнее

спасибо

Извиняюсь за задежку с ответом.
Подобную полосу имеют электронейромиографы (для измерения мышечной активности, нервно-мышечной проводимости). Несколько меньшие требования к полосе у приборов для коротколатентных слуховых вызванных потенциалов - до 3 кГц, но также серьезные требования по шумам (порядка 0,3 - 0,4 мкВ rms в этой полосе при высоком входном сопротивлении и малым током утечки.)

Возможно было бы лучшим вариантом (что бы не повторять старье), для начала просмотреть продукцию по измерительным усилителям таких производителей, как - Analog Device, Linear Technology, Texas Instruments (Burr Brown) и других. И взяв за основу наиболее подходящий усилитель, разработать свою схему. Тем более, что для 'разгона' DataSheet на эти усилители всегда изобилуют различной обвязкой по разного рода применениям и приложениям.

посмотрите дайджест от ADi "Amplifier ICs v.6, Issue 1"
там приведено несколько похожих вариантов на современной базе IC

Попробуем оценить задачу теоретически. Если предполагается входное сопротивление усилителя 100М, то предполагается, что сопротивление источника сигнала должно быть по крайней мере 1М. Среднеквадратичное напряжение теплового (только) шума такого резистора (резистор - идеальный малошумящий источник) дается формулой:
Vth=(4kTR)**1/2=130нВ/Гц**1/2; или 18мкВ в указанной полосе частот.
Вопрос: для чего требуется столь малошумящий усилитель, если в природе не существует соответствующего источника сигнала?

Дополнение:
Если мне не изменяет память, шумы полностью маскируются по уровню 2.7dBm, то-есть менее чем в два раза по напряжению. Исходя из этого, следует разрабатывать усилитель на 8uV (а не на 0.7).

Если абстрактно, то :
Многие "куски" схем выпускаются на одном кристалле - главное найти и выбрать.
Шумность самих кристаллов заметно понизилась, опять же - найти и выбрать.
РАЗМЕРЫ микросхем и напряжения питания очень значительно уменьшились - предварительные цепи стоит выносить к зондам и избегать наводок.

А вообще за 20 лет ИССКУСТВО схемотехники исчезает Главная задача - найти готовое и правильно сочленить
Что НЕ относится к воякам - исскуство сделать "что нужно" из того, "что можно" еще долго будет актуально.

Не угадали. Источник сигнала может иметь сопротивление 1 - 100 кОм. На частоте 500 Гц. А поскольку оно емкостное, то таки да, на частоте в 5 Гц может быть и мегаОм. Высокое входное сопротивление, насколько я себе представляю, необходимо также для повышения помехоустойчивости. Важны также малые токи утечки, поскольку сопротивление электродов - в основном емкостное.



Для ширпотреба - да. Для уникальных изделий, к которым относится и дорогостоящая медицинская техника, готового не выпускают, либо это готовое стоит немеряно дорого. Схемы построенные "дедовским способом" показывают лучшие параметры, чем полностью на готовых ширпотребных микросхемах (те же инструментальные усилители - ИУ). Я видел в инете информацию об одном крутом американском ИУ, применяемом вероятно в гидроакустике на подводных лодках. Но цена у него была заоблачная.

to Johny
Для вашего сигнала появилась куча прецезионных дифференциальных
АЦП на одном кристалле

to Johny:
Не угадали. Наоборот. Емкостное сопротивление с повышением частоты таки падает. А когда так - на низких частотах источник будет работать в режиме генератора тока. Естественно, помехи и шумы, да гармоники от них пойдут... Так что с таким источником с помехами бороться надо только тщательным экранированием, а все коррекции АЧХ делать либо в цепи ООС или после предусилителя.

Я тоже знаю (правда, косвенно) человека, который делал подобные усилители именно для таких целей, только за обычную советскую зарплату. После развала "фирмы" унёс свои секреты с собой на пенсию. Прошу прощения за оффтопик.
Задача действительно достойная. Самое главная сложность при проектировании таких изделий, как я понимаю, состоит не в том, чтобы обеспечить устойчивую повторяемость при соответствии заданным характеристикам, а в том, чтобы получить наилучшие характеристики для данного уровня развития элементной базы (ну, и схемотехники, сабо сомой).
Поэтому, при построении схемы и выборе её компонентов, следует на время забыть о стандартных решениях.
Во-первых, во входном каскаде применять типовые (пусть даже и очень качественные) ИУ и ОУ, на мой взгляд, очень не желательно. Лучше согласованной пары ПТ на одном кристалле (только с p-n переходом, не МОП) ничего и быть не может. ПТ должны быть выбраны с минимально возможными токами обратносмещённого перехода и максимально возможной крутизной характеристики в предполагаемой рабочей точке. Если есть возможность измерить эти параметры и отобрать приборы - это большой плюс.
Во-вторых, для ёмкостного датчика лучше всего применить усилитель заряда, это позволит избавиться от влияния ёмкости кабеля и получить равномерную АЧХ в заданном диапазоне. Если интересно, предлагаю совместно подумать, как его лучше всего сделать в дифференциальном исполнении.
После входного диф. каскада можно применить почти любой малошумящий ОУ. Только при заведении ОС нужно учесть возможность самовозбуждения и предпринять меры по её предотвращению.
Для улучшения подавления синфазного сигнала во входном каскаде можно применить малошумящий ГСТ. Про экранирование здесь уже говорилось. Для получения наилучшего результата целесообразно сделать его активным.
Наличие защитных диодов способно сильно ухудшить параметры усилителя. Если уж их ставить, придётся применять приборы с минимальными обратными токами. Отбор делать лучше при повышенных запирающих напряжениях. От входного фильтра лучше всего вовсе отказаться.
Есть ещё один подход, более сложный. Состоит он в применении гальванически развязанной входной цепи. При этом входной каскад можно сделать даже несимметричным (недифференциальным), что сильно расширит рамки доступной элементной базы и упростит схемотехнику непосредственно измерительной части усилителя, но ужесточит требования к паразитным емкостям вход-выход. Возможны также комбинированные решения.

По поводу выбора готового измерительного усилителя: нормирование шумов и зависимость КОСС от частоты не описывают все параметры усилителя. Кроме этого есть еще следующие: зависимость входного сопротивления от частоты, реакция на перегрузку по входу, линейность (искажения) при большом синфазном сигнале, ослабление помех по питанию, и т.д. в зависимости от назначения. Некоторые из них производитель не оговаривает вообще, что-то не полностью.
Собрал я как-то измерительный усилитель на AD8552 - прецизионных усилителях с МДМ, все по заявленым фирмой параметрам меня устраивало, но реально результаты были хуже, чем с OP27. При короткой, но большой импульсной наводке усилитель очень долго возвращался в нормальный режим, причем угадать его поведение было невозможно.
По поводу схемотехники - есть следующие варианты: измерительного усилителя тока, на 5 ОУ с подавлением очень большой синфазной составляющей, с оптроном в цепи ОС для компенсации большой постоянной составляющей по входу и ряд других мало описанных в литературе схем, на одном кристалле не выпускаются. Это не считая отдельного линейного двуполярного стабилизатора только для входного измерительного усилителя (и 78xx, 79xx сюда не подходят) - иначе выжать из него максимальные параметры не получится.
И самое главное, для чего и используется дифференциальный вход - борьба с помехами. Собраный усилитель обязательно проверяется на восприимчивость к различным видам помех. Иногда это сложнее самой разработки усилителя.
А еще очень сильно повлияла на сознание разработчиков навязчивая реклама многих производителей - выбери из таблицы готовое сочетание входного усилителя, АЦП и процессора и получи оптимальное решение своей задачи. Так вот я сйчас имею несколько разработок, где входной сигнал на уровне 1 мкВ при допустимой синфазной помехе до 10 В, усиление 1000 000. И только усиленный и отфильтрованный аналоговым фильтром сигнал измеряет АЦП.

У меня подобные проблеммы. Полезный сигнал (0,6 - 10 Гц), основная помеха - 50 Гц до 10В (плюс куча помех с меньшими амплитудами - 30Гц; 0,05-0,3Гц). Сигнал подается на аналоговый фильтр и только затем на АЦП и корреляционный фильтр. Удалось добится уверенного приема при амплитуде полезного сигнала порядка 1мкВ, но возникла необходимость увеличения чувствительности аналогового фильтра раз этак в сто, т.е. для приема сигнала на уровне 0,1 - 0,01 мкВ. А в моем представлении это похоже на какое-то "шаманство". Господин, BWZ, если вас не затруднит, подскажите в каком направлении стоит покопаться (ссылочки на литературу, статейки)

А может дело вовсе не в помехах? Посмотрите, пожалуйста, уровень шума вашего входного усилителя в области частот ниже 10 Гц и умножьте его на общий коэфф. усиления схемы. Обычно НЧ шумы усилителей (1/f, фликкер-шум) достаточно большие и бороться с ними сложно.

Естественно, что и в этом дело. Используем низкощумящие в полосе (0,1 - 10 Гц) операционники в первых каскадах. Фильтрация питания ОУ, граммотная разводка, экранирование - это все есть. Уровень входного сигнала одного порядка с уровнем шумов. Большего из текущей схемы и существующих элементов выжать не удастся, тут то и начинается "шаманство" (типа охлаждение фильтра для уменьшения тепловых шумов). Вот мне и хотелось узнать про подобные тонкости да хитрости.

А каков импеданс датчика? И какие именно опера используются?.

Батарейное питание, тройное экранирование и термостатирование комнаты (подвала). Еще есть тоннель под Эльбрусом... Чтобы космическое излучение убрать. Радио, телевидение мобильная связь...
Кстати, на мобильник реагирует Ваше устройство?
Это все не совсем шутка. Вот для регистрации магнитного поля мозга СКВИДовским магнетометром почти так и делают. Охлаждать фильтр и входные каскады на ПТ можно довольно дешево жидким азотом.

Сигнал снимается не с датчика, а с антен вбитых в землю. Передача идет из под земли - направленное бурение скважин. С двух километров начинается "геморой". Опера используем OP282GS (нужен малый шум и малое потребление).
По поводу комнаты термостатированной - мне понравилось - пойду начальству объясню, что для приема сигнала на буровую термостатированные комнаты завести надо .
Обычно стоит прибор в вагончике. На сотовый не реагирует. А вот про входные каскады на ПТ слышу второй раз, надо посмотреть, однако, что за штука.
Кстати попутно вопрос, как можно защиту по входам организовать? - сейчас ставлю супрессоры, но они понятно дело шумят, а куда деваться, если некоторые умники умудряются 80 В на вход подать, при 20 разрешенных.

Если Вы хотите чувствовать 10нВ, надо сильно подумать насчет криоохлаждения входного каскада на ПТ. Если говорить о 100нВ, то можно подумать о LC-фильтре высокого порядка и после него малошумящий сигма-дельта с встроенным PGA. Удивительно, но если устраивает его полоса частот, то шумы+дрейф будут заметно лучше, чем альтернативный инструментальный усилитель (это очень субъективно, но при необходимости можно показать)
Также я пока не смог уловить, как, используя на входах OP282, Вы уверенно принимаете полезный сигнал с амплитудой 1мкВ, хотелось бы поподробнее, что за сигнал, какой импеданс источника.

Насчет защиты... мне в электрометрии очень помогла низковольтная неонка на входе усилителя с входным током 10фА, который регулярно умирал от каждого чиха.

1.На OP282 ничего хорошего не получится. Он Rail-to-Rail по входу, причем даже в своем классе не малошумящий. В усилителях, где требуются высокие параметры используются только классические ОУ, всякие новшества типа Rail-to-Rail по качеству к ним даже не приближаются (слова тех. специалиста Analog Devices на семинаре после 3-х часовой рекламы Rail-to-Rail). Если нужны минимальные шумы и по сути УНЧ, то лучше всего подойдет AD797 (если уточните импеданс источника сигнала, возможно предложу другой вариант). Измерительный усилитель на одиночных ОУ на НЧ можно собрать самостоятельно без особых проблем.
Еще одно преимущество данного усилителя - малый уровень искажений. Малейшая нелинейность и две помехи с близкими частотами и большой амплитудой дадут массу комбинационных составляющих на НЧ, что будет воспринято как шум на выходе. Отличить такие помехи от собственного шума усилителя очень сложно, а бороться бесполезно.
Если этого все равно недостаточно и нужно выжать максимум. Тогда я бы поставил на входе усилителя коммутатор и менял полярность входного сигнала с частотой скажем 80 Гц. Далее усилитель и узкополосный фильтр, который должен подавить насколько возможно 50 и 100 ГЦ и усилить модулированный входной сигнал в несколько раз. Далее демодулятор, все возвращается обратно и обеспечивается дальнейшее усиление. Смысл всех этих фокусов - шумы около 100 Гц и ниже 10 Гц почти у всех ОУ сильно отличаются. Усилитель-фильтр на 80 Гц может усиливать незначительно - несколько больше именно этой разницы в шумах. Чем ниже частота полезного сигнала, тем больше выигрыш в соотношении сигнал-шум. В качестве входного коммутатора для ваших целей вполне пойдут герконовые реле, другие варианты намного сложнее.
Если задача все равно не решена, лучше заказать усилитель профессионалам, если таковые найдутся, а у вас хватит терпения и денег.
А искусство проектирования входных усилителей на мой взгляд состоит в том, что изменение хотя бы одного из начальных условий ведет не только к выбору другой элементной базы, но иногда и к использованию совершенно другой структурной схемы усилителя.

Помню, что были, но не помню какие именно СОВЕТСКИЕ полевики специально предназначенные для работы при низких температурах (жидкий азот?). Помню, что соседи использовали какие-то ширпотребные для этой же цели. Если их параллельно включить N штук, то шумов будет примерно в корень из N меньше... Вам ведь входная емкость на таких частотах не страшна? Опять же, пресловутые спецы из АнДев сами пишут, что минимальные шумы будут у комбинированных усилителей - когда на входе транзисторы дискретные с большими размерами.

Выбор ОУ, признаться, и меня озадачил. ОР282 - довольно древний опер, с большими шумами, и вовсе не rail-to-rail, ни по входу, ни по выходу, кстати.
AD797 обеспечит выигрыш перед супербета ОУ, если модуль импеданса источника <100-200 Ом. А шумы тока у него довольно велики.
Да простят мне все высказавшиеся, но выбор схемотехнического решения и эл. базы возможно только после того, как iit определится с параметрами источника (ну, и помехи тоже). Без этого всё очень напоминает гадание на кофейной гуще.

вообще-то да. параметры источника в студию, а то все советы пока чисто умозрительный характер носят

Спасибо всем за помощь, Ваши ответы подтолкнули кое к каким мыслям.


Сопротивление источника от 300 Ом до 3 КОм.

Да, OP282 никак не Rail-To-Rail, и шумы у него в диапазоне 0,1 - 10 Гц 1.3 мкВ/р-р. Выбор на нем остановили из-за малого потребления. Первый каскад - диф усилитель на одном опере с коэффициентом передачи 0,43 (для увеличения входного диапазона).
Пробовали ставить OP213 (входной каскад на биполярных транзисторах) шум 120 нВ/р-р, но на выходе фильтра шумы почему-то оказывались больше чем при OP282.

iit, можно узнать поподробнее про Вашу измерительную систему (размеры антенны, расстояние между электродами, характеристики геоэлектрического разреза и др.)? В том дело, что в этом частотном диапазоне
единицы микровольт скорее всего будут вызваны источниками внешними, по отношению к усилителю, в частности естественными полями. Так что может получится, что погоня за нановольтами - зряшная трата усилий, если у Вас нет средств выделения полезного сигнала из под уровня помех.
А вообще просто интересно узнать, какие средства используются для измерения и обработки этих сигналов, поскольку мне тоже приходиться иметь дело с измерением геоэлектричества.

ВО ВРЕМЯ бурения скважины из под земли передается кодированный сигнал о координатах бура. Сигнал передается в Манхэтенском (манхэтеновском?) коде. В зависимости от глубины изменяются частоты. Чем больше глубина - тем ниже частота передачи. Всего есть четыре фиксированные частоты передачи 10; 5; 2,5 и 1,25 Гц. При передаче на частоте 10 Гц есть две основные гармоники - 10 и 5 Гц. Соответственно для 5 - 5 и 2,5 и т.п. При приеме сигнала основная помеха 50 Гц. Но могут быть и всякие другие: работает сварщик - весь спектр помех, если работают две ДЭСки (дизельные электростанции, то возникают помехи 0,05 - 0,25 Гц. Приемник сигнала - активный фильтр с коэффициентом усиления порядка 100 000. После него стоит АЦП и корреляционный фильтр, который и выделяет полезный сигнал из помех. До 3,5 км все прекрасно работало, но понадобилось увеличить чувствительность приемника, так как планируется бурение скважин до 5 км.
Ну а по поводу антен что я могу сказать . Народ из службы эксплуатации (те кто непосредственно работает на буровой), основываясь на своем опыте и интуиции бегает вокруг буровой и вбивает антены в землю пока не добъется приема сигнала. Так что расстояние между электродами - как бог на душу положит. Ну а сами электроды - металические штыри от 0,5 м до 1 м . Подключение антен к фильтру возможно как трех проводное ("+" , "-", общ.) , так и двух проводное.
Что такое характеристики геоэлектрического разреза я не знаю, но если это электрические свойства среды передачи (земли), то они тоже меняются от скважины к скважине. Да и никто этим особо не занимался и вряд-ли будут (если не возникнет острейшей необходимости).

Скорее всего так и есть, дальше уже нет смысла повышать чувствительность самого измерительного усилителя, поскльку от самой буровой система огребает гораздо больше, чем от естественных источников и от передатчика в скважине. На уровне микровольт на приёмную антенну будет влиять всё - причём не просто всё, а вообще всё - такие процессы, о которых даже и не догадаться - микросейсмы, вибрации, атмосферики, колебания провода на ветру, перетекание флюида в скважине может создавать ЭДС до сотен микровольт - в общем повышение какой-то чувствительности - это скоре всего - "отмеряй микрометром, отмечай мелом, отрубай топором". Даже при использовании узкополосного (сколько, кстати ширина полосы и подавление вне полосы пропускания ?) усилителя.

С материалом электродов работать пробовали? Например вилки серебряные закопать , или, еще лучше медь + губка с медным купоросом.

А еще, может быть, можно с методом кодирования поработать.

Наверное все-таки в Манчестерском?

И вы его так напрямую и дуете, без всякой модуляции?
Правильно я понимаю?
Или все-таки манчестерским кодом модулируется какая-то несущая?

Вы абсолютно правы! Именно в манчестерском (запары, блин). Модулируем несушую (50 - 120 Гц)

Еще раз всех благодарю, в принципе где копаться стало понятно, буду пробовать.

По моему для 5 км глубины это уже многовато. Насколько я знаю, на таких глубинах используют несущую 5-10 Гц.

Обсуждение плавно сместилось в область буровых установок. Напоминаю тему топика "Усилитель биологических потенциалов". Если хотите дальше обсуждать тему бурения прошу создать отдельный топик!

Есть более другая идея: разместить или ответвить эту тему в более широкую под названием "Измерение тонких материй", в которой и обсуждать все вопросы, связанные с измерением нановольтам, пикотесл, и других физических величин на грани возможностей современной техники.

По поводу оптрона во входной цепи я как-то видел авторское свидетельство. Мысль интересная, но применений на практике не встречалось.



Подобная задача возникала, правда в реальный заказ не оформилась. Для измерения колебаний потенциалов клеточных мембран. Требования к дифференциальному усилителю были: входная емкость 0,2 пФ, входной импеданс 1 ГОм. Задача интересная.



Сейчас применяем BAR-14, ток утечки 0,1 пА. Минимальный входной фильтр необходим. Без него радиочастотные наводки на вход будут настолько большие, что после детектирования на входных нелинейных элементах, забъют весь полезный сигнал.



Поддерживаю. "Усилитель биологических сигналов" - довольно узкая тема, а в других областях (мне ранее неизвестных) могут применяться сходные решения.

По просьбам форумчан создал топик: "Измерение физических величин, на грани возможностей современной техники"
forever failure, Johny, iit прошу высказываться здесь http://electronix.ru/forum/index.php?showtopic=15283