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

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

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

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

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

Может быть моделяторы не могут правильно низкочастотные шумы считать, а тупо интегрируют постоянную плотность по частоте?
У меня.. . на высоких частотах все совпадало...

А аналитически не пробовали расчитать?
Возможно Вы правы...Вобщемто я даже не знаю что написано в spice модели на эти ОУ, возможно там полный бред

Вот приложил еще файлик. Для пущей ясности исключил все, сделал просто один повторитель...Ито, спектральный шум не совпадает. Правда не у всех, у некоторых совпадает....

Человек сам себе брат...
Вот и проверьте - сами (моделятором) и посчитайте зависимость от частоты...
В некоторых случаях честно пишут, что модель для подсчета шума не работает правильно.

Посмотрите на график и усомнитесь в расчете шума симулятором , для которого 8nv/sq(Hz) типо константа (красная линия)

Только аналитический расчет руками может Вас вывести из трудного положения.

Именно это и сделал - в файле USILIT_Geoph_noise_3_.rar.
Насколько я понимаю могут не заложить какойто параметр (например Inoise) и тогда шум будет меньше, но он бывает и меньше, и больше.



Ммм...ну если бы так, посмотрите сами, кривая inoise в модели тоже имеет загиб 1/f шумов. Но ее уровень слишком завышен, отсюда и такой огромный интегральный шум.

Эта кривая для источника шума V40 ? Посмотрите в установках анализа.
а в то же время шум приведенный ко входу в модели ОУ присутствует в виде строк

где HN - эдс шума

Как его вывести в список источников шума для анализа , не знаю.

Наверно Ваш рефренсный уровень и шумит. Землю надо делать хорошую, питание фильтровать - иначе беда.
Схемотехника тут тоже не самая лучшая - эта годится для работы с маленькими входными емкостями.

2 Alexashka

А можно подробнее о сенсоре

Да.
Видимо да, но почему такое расхождение? может както связано с корелляцией шума этого источника по обоим входам ОУ? Вообщето пробовал выравнивать импедансы по обоим входам ОУ, ничего это не дало ровным счетом. Шумы не меняются.



Вы не внмательно читали пост №3, я же сказал что потом я проверял различные ОУ включенные повторителем. Там НЕТ никаких референсов, только 2 батарейки и источник АС напряжения.


Эта почему эта?
Вообще производитель рекомендует включать датчики с малой собственной емкостью по схеме усилителя напряжения. Этот же датчик относится к датчикам с большой емкостью, которые рекомендуется включать в режиме измерителя заряда.


сенсор виброускорения пьезокерамический ПС-004

Очень спорная рекомендация. Почитайте даташит от AD797, там про усилитель напряжения.
Про услитель заряда - надеюсь поможет это:

Спасибо, интересная схемка. Я все склоняюсь к тому чтобы поставить в первом каскаде малошумящий n-p-n транзистор, - для малошумящих полевиков слишком уж большие начальные токи даются.

нет. Просто-напросто в модели операционника неверно заданы коэффициенты для фликкер шума входных транзисторов полевых.
Я их поубивал и шум стал плоским примерно 8 nV/rt(Hz), соответственно выходной rms шум изменился

в модели ОУ для полевиков убрал коэффинты KF и они стали такими


A других ваших схемах , например для AD820 транзисторы стоят без параметров фликкер шума.

Для того, чтобы фликкер шум и вообще шум соответствовал графику даташита , надо долго и нудно подбирать эти коэффициенты , и другие тоже . меня ломает.

Спасбо что помогли разобраться! В любом случе ни Вы, ни я не должны заниматься этой хер№ей)), это задача производителя микросхем. Выходит перед моделированием нужно всегда проверять модель на корректность работы...мдя
А где вообще можно посмотреть что означает тот или иной параметр spice файла ? Или лучше редактор парметров в виде таблицы.

для микрокапа в нем же и смотрите
Micro-Cap 9
Electronic Circuit Analysis Program
Reference Manual
меню "помощь/описание программы - на странице 481 и ниже . Файл rm.pdf

это часто их собственной задачей не считается
вот типовой ответ
взято по ссылке с форума AML http://microcap.forum24.ru/?1-6-0-00000001-000-40-0

хотя для данного ОУ вроде бы аналоговые девицы сами писали модель , но ни за что не отвечают

Ага попробовал- работает! Теперь правда перекос в другую сторону)) -шумы слишком низкие.
А вообще к AD притензий никогда не было, моделирование было очень точное всегда. Да и глюк вобщемто вылез на Техасовской модели.


Ну это частая приписка...а то судами задолбают
а вообще странно что такие монстры как Техас и AD не могут сделать нормальные модели, че у них спецов не хватает?))

Сталкивался с проблемой постороения усилителя заряда для пьезоэлектрического акселерометра.

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

По пьезоэлектрическим акселерометрам тема раскрыта ТУТ

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

Фигура 15, вот эта:

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

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

Я тоже так делаю.
Или на Матлабе. График и вручную ввести можно.

Данные рекомендации не совсем понятны.

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


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

У используемых нами датчиков KD35, KD32 (Немецкие, фирмы MMF) высокая чувствительность к сквознякам в помещении. (Думаю у других - те же проблемы)
Приведённая на Fig 15 схема на практике даёт такой эффект:
Лёгкое дуновение ветерка на датчик - и термо-ЭДС - единицы мВ, касание пальчиком до датчика - и термо-ЭДС десятки мВ. Эта фигня мешает работать в области низких частот.
Если Вы хотите работать от 10 Гц - надо пересчитывать фильтр НЧ в обратной связи.

На более современных датчиках (Bruel) с ICP (встроенный усилитель заряда) термо-ЭДС на порядок меньше.

Чесно признаюсь термоЭДС не наблюдал, хотя понимаю что она должа быть. Вообще мой усилитель режет с 1,5Гц (47МОм+2200пФ), но датчик во-первых в пластиковом корпусе, да плюс еще в металлическом, герметичном. А если на него подуть (я уже не говорю о том что потрогать пальцем) усилитель зашкаливает (от вибрации пластины датчика). Вообще предполагается что он должен чуствовать шаги человека на расстоянии 10м. Сейчас они практически замазаны шумом усилителя.
У Вашего усилителя вы пишете 22мкВ в полосе 10кГц. Это по выходу? Если по входу то это очень много

Это по выходу усилителя заряда. Точнее, это значение измеренное 24-битным сигма-дельта АЦП с этого самого выхода, в измерительной схеме нашего устройства. Т.е. в эти 22мкВ включен собственный шум АЦП.

Если вы хотите "шаги считать" на расстоянии 10 м, вам нужет высокочувствительный, достаточно массивный пьезоакселерометр. Возможно даже сейсмический.

а какое усиление Вашего усилителя? или чувствительность. Хотелось бы оценить приведенный шум.

Да это все верно, но возможности ставить массивный датчик нет, а есть желание сделать действительно малошумящий усилитель

Без переключения пределов измерения имеем:
Уровень шума, приведённый ко входу (СКЗ) 0.022пКл (от 1Гц до 10КГц)
Максимальный измеряемый заряд, пиковое значение 11200 пКл, или же для синуса 7920 пКл (СКЗ).

20*log(0.022 / 7920) = - 111 дБ уровень шуму. (SNR)

Если смотреть по спектру - уровень спектральных линий шума = -140 дБ

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

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

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

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

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

Вот это странно, я то думал что никакой разницы между ними (усилителями) нет по АЧХ. Т.е при одном и том же кол-ве инжектируемого заряда напряжение на выходе услителя напряжения будет определятся емкостью дачтика+кабеля (и независит от частоты), а для зарядочуствительного- емкостью в обратной связи (и также не зависит от частоты). Или я не прав?
>>> Упс, исправил "не зависит от частоты"

динамич. диапазон 90дб. если плясать от него, то макc.сигнал =0,1мкВ*6 (ампл.шум) * 31600(90дб) = 19мВ. Если усиление первого каскада от 10 до 50 думаю на транзюке вполне можно сделать Дальше идет усилитель-фильтр, незнаю, возможно придется с регулируемым КУ и затем на 16разрядный АЦП.
Единственная проблема- потребление всего усилит.тракта (оно полностью определяется первым малошумящим каскадом) -не более 1мА. Так что все AD745 и иже с ними отпадают. И тут опять видится более простым подобрать малошумящий тразистор с низким начальным током стока, ток вот у меня с поиском транзисторов както неутешительно- все они очень древние и большинство уже похоже снято с производства. Да и с доставабельностью както глухо оочень, а мне то нужно для пробы всего пару штук.
2sk269 даташит не нашел (наверно 2sk369?), 2sk370 -неплохой, и шумы нормируются при 1мА. Попробую поискать в продаже. 2sk371(NEC) начальный ток 250мкА - вообще супер, только вот как перевести его шумы в спектральную плотность не соображу, полоса шумового усиления у него наверно большая?
Сам я пока нашел только 2SK117 и 2SK147 (второй абсолютно недаставабельный) ну и конечно 2П303А =))


Ну Microcap тоже будет правильно считать если ему правильно задать модель, но вот как перевести Noise Figure в коэффициент и экспоненту шумовой модели транзистора пока не придумал.
А как токовые шумы посчитать руками? у меня как раз с этим проблема. Остальное вроде понятно


Очень большой IDDS =30мА. А чтонибудь до 1мА на всмкидку не скажете?

на форуме микрокапа не Вы вопрос поднимали?

кстати хорошо что напомнили! а то я пару раз зашел, но там глухо как в танке))...было. И спасибо за пост))

На 30ма он перегреется, используют на 7-10. На 1ма ничего путного не найти.

....тут хорошо описаны(http://bruel.ru/UserFiles/File/Accelerometers_directory.pdf) эквивалентные электрические модели пьезодатчика...их можно использовать в моделяторах типа МикроКапа и Мультисима

Поднимая свою старую тему, хочу поделится тем что удалось накопать по данной теме.
Думаю будет полезно тем кто захочет сам рассчитать шумы зарядочуствительного усилителя (вручную).
В приложенном файлике подробно описан процесс рассчета с формулами и примерами.
В нем же кстати открыто говорится о том, что модели в библиотеке элементов (для симулятора Tina) кривые и лучще бы все считать ручками
Дополнительно выкладываю файлик с рекомендациями по измерениям шумов в моделяторах. Правда там все рассматривается применительно к Техасовскому моделятору Tine, но зато разжевано все очень тщательно, и есть коечто про адаптацию "кривых" моделей под реальные даташиты. (приаттачить не получилось, вот ссылка http://www.analogzone.com/avt_0115.pdf)

попробуй AD604 в импульсном режиме
- the response time to power the device on or off is less than 1 μs
- 0.80 nV/√Hz, 3.0 pA/√Hz

вопрос в том как...в режиме измерения заряда боюсь заряд на емкости в ОС будет терятся при выключении ОУ или будет долгий переходной процесс. а вот вариант с усилителем напряжения наверно прокатит...но не с ad604 -3пА через чур много