Всем привет!

Надо получить усиление в диапазоне 40-60 раз.
Входной сигнал на уровне 100 мкВ (может быть и менее).
Частота порядка 40-60 кГц.
Питание 5 В.

Как я понимаю, нужно что-то очень малошумящее. Далее сигнал будет усиливаться обычными ОУ.
Какой усилитель добавит минимум шумов в сигнал?

1. Однокаскадный с ОЭ?
2. Малошумящий ОУ?
3. Обычный ОУ?

Сигналы коммутируются с нескольких источников с помощью 4052.
Как лучше поступить?

1. Несколько предусилителей, а потом коммутатор?
2. Коммутатор, а потом один предусилитель?

Какого порядка может коммутировать сигналы коммутатор? Зависит от сопротивления нагрузки после него?

Обычного хватает ОУ для этих уровней он и так малошумящий, Малошумящий ОУ будет конечно лучше. Определитесь с минимальным уровнем, доп. уровнем шума.
Все без проблем считается в кучке симуляторов типа MC, Spice, LTspice и тд.

Так, я, наверное, сделал неправильный вывод о том, что, если шумит один транзистор, то ОУ, содержащий много транзисторов будет шуметь сильнее?
Пусть входной сигнал будет иметь амплитуду 30 мкВ.
Что за дополнительный уровень шума?

А простейший усилитель на транзисторе с ОЭ (резистор в эмиттере, в коллекторе и с коллектора на базу) будет сильнее шуметь и иметь менее стабильные характеристики?

Пользую MC.
Понятно, что можно во входной сигнал замешать шум с помощью источника. Но можно ли как-то промоделировать "шумление" самого ОУ? Т. е., источник шума должен быть в нем самом...

доп. в этом месте это имхо допустимый.

На что он влияет? На отношение сигнал/шум? Т. е., на способность отличить полезный сигнал от шума после нескольких каскадов усиления?
После усилителей будет стоять компаратор.
Как выбрать уровень шума?

Размах шума (peak-to-peak) на входе компаратора д.б. заметно меньше, чем величина гистерезиса компаратора.
имхо.

Да, спасибо.
А как понять какой из выше перечисленных усилитель внесет меньшие шумы?
Как вообще прикинуть шумы, вносимые этими устройствами?

открыть даташит на усилитель и посмотреть.
малошумящие ОУ с шумом ~ 1нВ/Гц^0.5 вполне доступны. (для сравнения 80 Ом ключа 4052 это 1.2нВ/Гц^0.5 шумов)
в полосе 60кГц это будет 250нВ среднеквадратичного шума, 1.5мкВ p-p. для сигнала в 100мкВ, компаратору такого С/Ш хватит,
только при условии что DC не надо и оно будет ФВЧ отрезано, так как малошумящие усилители обычно на очень низкой частоте себя не очень хорошо ведут, и температуры боятся. хотя сейчас и чопперы научились делать не сильно шумящие есть и с 5нВ/Гц^0.5

Если не сложно, поясните, пожалуйста, процедуру расчета.
Как Вы из 250 нВ среднеквадратичного шума получили 1.5 мкВ p-p (для какого вида шума)?
И где всетаки лучше поставить коммутатор, до предусилителей или после?

p-p = +-3 сигмы, помжножил на 6.
а для какого шума это зависит от того, нужно постоянное напряжение или нет, если нет и НЧ шумы вместе с dc отрезать - считайте что шум белый.

Прошу проверить правильность моих рассуждений.
Допустим, выбрали AD8092.
Для него среднеквадратичное значение шума 16 нВ/Гц^0.5.
Допустим, верхняя частота 60 кГц.
Т. е., для полосы 60 кГц среднеквадратичное значение шума 16 * 60000^0.5 = 3.9 мкВ.
Кажущийся полный размах шума ~ 6 среднеквадратических значений: 3.9 * 6 = 23.4 мкВ.
Для входного сигнала 100 мкВ, как я понимаю, это нормально, а для 20 мкВ - никуда не годится. Смотрим другой ОУ.

На входе разделительный конденсатор, постоянную составляющую убираем. Усилитель неинвертирующий, со смещением.

В двух даташитах не нашел ничего подобного. Вы его вычислили?
А для резистора простого получается 4 * k * 298 * R * 60000 = 7.9*10^-14 В.

корень где-то потеряли sqrt(4KTR), температурный шум 60 Ом == 1нВ / Гц ^ 0.5.

Я взял формулу отсюда.
Если считать по Вашей формуле, то как раз так и получается это значение для полосы 1 Гц. Т. е., для полосы частот надо домножить на sqrt(f).

Кстати, для ключа считать шумы как и для обычного резистора?

там написано про спектральную плотность мощности, которая есть квадрат напряжения.


ну в основном пожалуй да, если питание аккуратное
производители на нормальные ключи ещё и PSRR иногда приводят. про 4052 не знаю.

Что вы имеете в виду про аккуратное питание? Запитывать ключ отрицательным и положительным напряжением как можно выше или хотябы положительным повыше?
Допустим, запитать тот же 4052 не +5 В, а +9 В, если входное +12 В?
Можно, кстати, запараллелить каналы. Мне надо четыре, а там восемь.
А что из ключей получше можете порекомендовать?

Посмотрите у Analog Devices много хороших ключей. В любом случае, правильно будет ставить коммутатор после предусилителя.

если ключ запитать от какого попало импульсного преобразователя и не отфильтровать, так что на питании будет 100мВ шумов,
то если у ключа power supply rejection ratio даже 80дБ то 100мВ шумов на питании превратятся в 10мкВ шума на выходе ключа,
а если 60дБ, что скорее ближе к истине для 4052, то в 100мкв.


не в любом, во-первых усилителей надо будет N штук, а во-вторых может потребоваться обеспечить их одинаковость и/или автокалибровку, что в случае с усилителем после входного мультиплексора сделать куда проще, потому что он опять же всего один, и на тот же входной мультиплекор можно свой калибровочный сигнал подать не трогая входы вообще.

Хорошо, спасибо.

С целью минимизировать потери на сопротивлении ключа?
Я пока толком не понял, можно ли при питании +5 В ключа 4052 рассматривать его почти как обычное сопротивление и сможет ли он адекватно коммутировать сигналы с амплитудой в десятки микровольт?

С нестабильным питанием все понятно, спасибо.

Это, конечно, напрягает...

Согласен, но тут точная одинаковость не нужна, приблизительной достаточно Калибровка тоже не нужна.

Не только потери на сопротивлении ключа. Дело не в потерях, а во влиянии параметров ключа (токи утечки, шум, междуканальное проникновение, паразитная ёмкость и т.п.) на качество усиленного сигнала. Когда сигнал уже будет иметь величину хотя бы в милливольты и буферирован, проблем с переключением будет несравненно меньше. Вы не написали ничего об источнике сигнала, а это важно.

Ну, и чем это напрягает? Ценой нескольких корпусов ОУ или местом на плате? Борьба за приемлемый С/Ш напряжёт больше, поверьте.

P.S. Теперь и к Вам обращаюсь персонально: не растягивайте сообщения пустыми строками, пожалуйста. Поправил.

Источник сигнала - УЗ датчик (вторичная обмотка согласующего повышающего трансформатора) + диодный ограничитель.



В общем да. Согласен.


Вообще пустых строк не вставлять? Сейчас нормально?

Всех с наступающим!

Допустим, построить первый каскад на MAX44252 (малошумящий, с малым смещением), смещение для входного сигнала организовать на REF03, коммутация после предусиления ADG804.

А зачем смещение, да ещё и прецизионным ИОН?

Смещение потому, что с датчика сигнал двухполярный. Поднимаем его на середину питания приблизительно.
Малошумящий ИОН для того, чтобы шумов было меньше. Ведь шумы смещения сложатся на входе с полезным сигналом.
Изначально хотел стабилитрон, но они шумят сильно, как я понял...

А если вместо ИОН резистивный делитель + ОУ, то насколько эффективно можно, скажем, емкостями отфильтровать шумы?

Ничего похожего. Вы ведь не будете измерять смещение, соответственно, и шумы.

Это классическое решение, именно так и организуется виртуальная "земля". Даже ОУ в большинстве случаев не нужен.
Вы нарисуйте примерную схему и уже станет понятнее.

Т. е., все шумы смещающего напряжения (резистивного делителя, DA2 и питания), попадающие на неинвертирующий вход DA1, не окажут влияния на полезный сигнал и схема смещения может быть элементарной даже для очень малых входных сигналов?

Там далее активный фильтр и еще усилитель с таким же смещением 2.5 В, резисторы выравнивающие токи смещения.

А разве низкоомный выход ОУ не убьет сигнал?

Нет, не так. Между неинвертирующим входом DA1 и выходом DA2 (виртуальной "землёй") должен быть резистор. Высокоомный. И левый вывод С4 также должен быть подключен к виртуальной земле. Тогда дрейф и шумы смещения не будут усиливаться.

низковольтные шумят мало -
https://www.flickr.com/photos/137684711@N07...57662535945536/

Да, Вы правы, я про них сказал, а нарисовать забыл, иначе, действительно, как говорит Tanya, просадим сигнал.
Для R6 значение выбирать равным R2, как я понимаю, чтобы минимизировать напряжение, вызванное токами смещения?

Не совсем понятно, поясните, пожалуйста. Может быть, Вы имели в виду C1? С4 - разделительный конденсатор.
Кстати, как я понял, есть разница между "смещением" и "виртуальной землей". Я организую именно смещение.

Правильно.

Да, С1, это у меня опечатка. Насчёт смещения - это как посмотреть. Для сигнала - это смещение, для усилителя - виртуальная "земля".

После предусилителя идет коммутатор, полосовой активный фильтр и еще один усилитель.
Может быть, с помощью C4 и R6, дополнительно ограничить полосу снизу, чтобы шумов было поменьше и помех всяких? Ведь датчики работают на частоте около 40 кГц.

А нужен ли вообще C3 перед коммутатором? Коммутатор ведь имеет однополярное питание и, если мы оставим разделительный конденсатор, то отрицательные полуволны не пройдут через него.
Не пойму пока, нужны ли вообще разделительные конденсаторы между каскадами, ведь каждый каскад смещается одинаково на 2.5 В.

Конечно, это разумно. Можно даже и сверху, поставив конденсатор параллельно R2. То есть, выделив нужную полосу.

Нет, в самом деле, разделение по постоянному току здесь ни к чему. Можно смело оставить УПТ.

Это будет ВЧ-коррекция? Пробовал, чтобы мои 40 кГц прошли без заметного ослабления емкость должна быть единицы пФ. А иначе сильно заваливает на ВЧ.


Ну, только в ОС конденсатор на виртуальную землю оставить, чтобы коэффициент усиления по постоянному току был равен 1.

Кстати, а вместо делителя не лучше будет всетаки поставить стабилитрон, чтобы напряжение виртуальной земли было стабильнее и менее зависело от питания?
Как лучше распределить усиление по каскадам? Предварительный усилитель, активный фильтр, дополнительный усилитель...

Подскажите, пожалуйста, как прикинуть, будет ли компаратор, собранный на ОУ, достаточно быстродействующим для данной рабочей частоты? Компаратор на MAX44252 (остался один усилитель, на нем и компаратор сделать можно), сигнал 40 кГц. Допустим, скорость нарастания выходного напряжения по документации == 5 В/мкс, питание 5 В, синусоида наша нарастает от 0 до 5 В (пусть это для максимального усиления) за полпериода == 12.5 мкс, 1 мкс << 12.5 мкс, значит ОУ подойдет?

По поводу пустых строк. Не будут ли лишними пустые строки, разделяющие абзацы для облегчения восприятия текста?

Это зависит от номиналов резисторов. Но и единицы пикофарад бывают совсем не вредными, чтобы предотвратить самовозбуждение каскада, например. В любом случае, внеполосное усиление следует снижать.

Это можно, но если у Вас на входе нет постоянной составляющей (из-за разделительного конденсатора), то и усиливать нечего. Разве только собственное смещение, но это актуально для больших Кус.

Как раз этого лучше не делать. Сейчас у Вас при любых колебаниях питания сигнал гарантированно подтянут к середине. А со стабилитроном симметрия нарушится. Это, впрочем, важно, если сигнал уже достигает величин, сопоставимых с напряжением питания и в случае, когда важен КОСС.

Следует максимум усиления сосредоточить в первом каскаде. Насколько удаётся. А, возможно, его одного и будет достаточно.

Попробуйте. Возьмите, кстати, симулятор, полезная вещь.

Я прошу лишь не злоупотреблять. Например, после цитаты незачем нажимать "Enter", интервал и так автоматом получается достаточным. Также ни к чему несколько пустых строк подряд.

С каких величин начинаются большие Кусы?
Я попробовал промоделировать, закоротив C1. Усилитель в насыщении. Потом понял, что надо бы изменить номинал R6 (от предыдущего раза остался), чтобы скомпенсировать смещение от входных токов, изменил и усилитель заработал. Наверное, лучше эти конденсаторы всетаки оставить на всякий случай...


Объясните, пожалуйста, какая тут связь с КОСС?


Чтобы сигнал/шум было побольше?
Исходя из каких соображений можно выбрать максимальный Кус? Ширина полосы (по диаграмме Боде)?


Да взял уже, проверяю сомнительные вещи, но живое общение ничто не заменит
Эээ... т. е. по параметрам нельзя прикинуть, пойдет ОУ в качестве компаратора или нет? Тут я, наверное, не учел еще и время входа/выхода в/из насыщения...

Вам бы почитать что-нибудь по теме. Скажем, классику - ХиХ, или Гутникова и т.п...
Большой Кус - условность, конечно. Можно считать, что начиная с сотен раз, для простоты.
Имеется в виду, что как раз вот такие случаи: усиление собственного смещения или сдвига становятся заметными.
По поводу конденсаторов имейте в виду, что они тоже неидеальны. Например, керамические обладают пьезоэффектом, что может добавить в Ваш сигнал ощутимый шум при вибрации, ударах и прочих воздействиях. А входные токи нужно, по возможности, выравнивать. Но! Бывают исключения.
С КОСС связь очевидная. Представьте, что Вы "подтянули" сигнал к некоему фиксированному уровню (при помощи стабилитрона) относительно минуса питания (не виртуальной земли).
Тогда, "с точки зрения" усилителя сигнал имеет некоторую постоянную составляющую, равную как раз разнице потенциалов между виртуальной "землёй" и этим уровнем. Если напряжение питания меняется, дрейфует, то меняется и эта разность, т.е. постоянная составляющая. Это и есть синфазное напряжение, влияние которого должно быть минимально. Потому, если КОСС у ОУ невысокий, могут случиться сюрпризы. Но тут нужно знать, какие вообще погрешности допустимы.
Сосредотачивать усиление в первом каскаде резон простой. Зачем, к примеру, усиливать вторым каскадом не только сигнал, но и шум первого? Но здесь, опять же, нужно искать компромисс: большое усиление потребует больших величин сопротивлений резисторов, а у них - тепловой шум. Зависит от сопротивления. Так что...

Читаю, но нахожу ответы не на все вопросы


Наверное, в первую очередь влияет смещение, обусловленное разницей токов смещения (ток сдвига), т. к. смещение, обусловленное токами смещения мы минимизируем подбором резисторов?


Шуметь в таком случае будет больше C1 или C4? Лучше использовать пленочные?


А какие тут еще есть исключения кроме того, что входные токи могут быть очень малыми для ОУ с диф. каскадом на ПТ?

Влияют не только нескомпенсированные токи, но и напряжение смещения, offset.
Одинаковые конденсаторы и шуметь будут одинаково. Шум какого из конденсаторов будет усиливаться сильнее, предлагаю Вам оценить самому, проведя несложный мысленный эксперимент. И - да, плёночные лучше.
По поводу исключений из правила "выравнивать" сдвиг, обусловленный входными токами, давайте пока не будем углубляться. Замечу лишь, что в даташитах на некоторые ОУ производители не рекомендуют этот подход. Но это - частности, пока несущественные.

Возвращаясь к теме конденсаторов, в качестве разделительных и в цепи ОС подойдут пленочные полиэстеровые B32529?

Подойдут.

Кстати, желательно, чтобы все конденсаторы в окружении первого каскада были пленочными (во избежание последствий, которые могут быть получены от эффектов применения керамических конденсаторов)?

Читаю про конденсаторы. Как я понял, конденсаторам с диэлектриком NPO не присущ микрофонный эффект (ну или очень слабо выражен)?
Не нашел пленочные конденсаторы на емкости единицы пФ для установки параллельно резистору ОС для ограничения полосы.
Да и в активный фильтр на пару сотен пФ тоже не нашел...
Нормальным ли выбором будут конденсаторы NPO?

Да, нормальным.
Плёночные распространены с десятков пикофарад. Хороший выбор ещё на единицы - сотни пФ - слюдяные.

Слюдяные еще не устарели? Как я понимаю, достаточно габаритный, дорогой и редкий товар?

Совсем нет. Отчего им устареть, это одни из лучших конденсаторов. Их недостаток - невысокая ёмкость. Но для радиочастотных применений и измерительной техники вполне успешно применяются. В том числе, как чип-конденсаторы, т.е. смд. Посмотрите хоть здесь.