Hallöchen Ich entwickle gerade ein RFID-Lesegerät für HDX Orhmarken für hohe Reichweite ( Antenne 25*25 cm - Reichweite 50cm - Die Schaltung funktioniert momentan bis 40 cm ) Ich muss dafür einen Verstärker mit extrem hoher Verstärkung aufbauen und das extrem schwache induzierte Signal vom Transponder auszuwerten. Mit dem Oszi messe ich nach der Verstärkerschaltung nur mehr rauschen. Die Verstärkung bewegt sich im Bereich von ca. 100dB. Ich habe dazu ein vierstufige Verstärkerschaltung mit jeweils einem Bandpassfilter aufgebaut. Spielt dabei nicht schon das Rauschen der Widerstände und des OPV eine Rolle ? Sind Kohlewiderstände wirklich rauschärmer als Metallschicht ? (Zur Zeit verwende ich SMD Metallschicht) Bringt es was die Widerstände zu tauschen ? Was bedeutet uV/V Rauschen im Datenblatt eines Widerdstandes ? Als OPV verwende ich eine Type mit 4nV/W(Hz). Was bedeutet 4nV/W(Hz) ? Legende : W( ... Wurzel Bin für jede Hilfe dankbar. mfg Mandi
Hi Manfred beantworte dir ein paar Sachen mal auf die Schnelle. Aber zuerst mal ne Frage bist du dir sicher das du eine Verstärkung von 100dB hast? 1. Das Rauschen des OP's und der Widerstände spielen immer eine rolle. Die Frage ist nur wie dein SNR am Ende sein darf. 2. Die Angabe µV/V als Rauschangabe ist die Rauschleistung der Widerstandes pro anliegendem Volt. 3. Beim OP bezeichnet die Angabe die Rauschleistung pro Herz. Die endgültige Rauschleistung ist dann Abhänig von der Bandbreite. Um jetzt mal eine Tatsächliche Rauschberechnung durchführen zu können bräuchte man noch ein paar weitere Daten wie Leistung des Eingangssignal, zulässiges SNR am Ausgang und das Aussehen der Schaltung. Noch kurze Frage nebenbei, woher hast du deine Elektrotechnikkenntnisse (Selbsstudium, Ausbildung ...) und ist die Anwendung für privaten Gebrauch? MfG Dominik PS: Hoffe die ersten Fragen sind mal geklärt. Helfe gerne noch weiter da das ein Interessantes Gebiet ist (Rauschen)
Du kannst zur Not mehrere rauscharme OP-Amps parallelschalten. Rauschstrom/Rauschspannung am Eingang beachten.
Hi Dominik >>Frage bist du dir sicher das du eine Verstärkung von 100dB hast? Die Verstärkung liegt zur Zeit bei ca. 2.500.000 Vier Stufen mit Verstärkung von ca. 40 in Serie geschaltet ! >>1. Das Rauschen des OP's und der Widerstände spielen immer eine rolle. >>Die Frage ist nur wie dein SNR am Ende sein darf. Zur Zeit ist er wohl bei 1:1 oder schlechter >>2. Die Angabe µV/V als Rauschangabe ist die Rauschleistung der >>Widerstandes pro anliegendem Volt. Haben nun Kohleschichtwiderstände weniger rauschen ? Bringt es was die Widerstände zu ersetzen ? >>3. Beim OP bezeichnet die Angabe die Rauschleistung pro Herz. Die >>endgültige Rauschleistung ist dann Abhänig von der Bandbreite. Die Bandbreite ist bei mir nur 10 kHz. Das Signal liegt aber bei 124 und 134 Khz Welcher Wert bestimmt das Raschverhalten. >>Um jetzt mal eine Tatsächliche Rauschberechnung durchführen zu können >>bräuchte man noch ein paar weitere Daten wie ..... Ich will eigentlich keine Berechnung durchführen. Ich sehe eh mit dem Oszi wie stark das Rauschen ist. >>Noch kurze Frage nebenbei, woher hast du deine Elektrotechnikkenntnisse >>(Selbsstudium, Ausbildung ...) und Meine Elektrotechnikkenntnisse habe ich Grundsätzlich von meiner Ausbildung ( Abendschule technische Informatik ) und Selbststudium. Aber normalerweise arbeite ich nur mit Digitaltechnik, Mikrokontroller und Messsignalaufbereitung. Von solchen extremen Schaltungen fehlt mir aber die Erfahrung. >>ist die Anwendung für privaten Gebrauch? Ich mache das für einen Freund, der sich Selbstständig gemacht hat. hmg Mandi
Vielen Dank Juergen. Hat meine Fragen wegen OPV's beantwortet. hmg Mandn
Die Reichweite von passiv RFID ist etwa der Durchmesser der Antenne. Weshalb nicht die Antenne vergroessern ?
Hallo Manfred, ich vermute, es geht um Spannungsverstärkung. Wenn Du wider Erwarten einen Ladungsverstärker brauchst, schau nach rauscharmen Photodiodentreibern, z. B. OPA2380 von TI. Dann kommt es auf das Stromrauschen an, nicht das Spannungsrauschen, das wir hier betrachten. Hinsichtlich des Rauschens geht es um die Bandbreite des Signals. Da hast Du leider keine Angaben zu gemacht. 100dB = Faktor 100.000 bei der Spannung ist schon eine ganze Menge. Geht es um 125 kHz? Du hast einen Verstärker mit 4nV/sqrt{Hz}. Das ist recht viel. Es gibt bessere OPV. Visiere 0,7nV/sqrt{Hz} an. OPV in dieser Größenordnung gibt es von mehreren Herstellern MAXIM: MAX4107 (Vorsicht, Auslaufmodell), Analog, TI. Ganz besonders will ich Dir das Bauteil AD8331 ans Herz legen. Es funktioniert bis etwa 100 MHz und hat eine sehr rauscharme Eingangsstufe (0,7 nV/sqrt{Hz}) mit anpaßbarer Impedanz. Wenn Du davon zwei in Reihe schaltest (AD8332, Vorsicht - nicht bei Farnell erhältlich), solltest Du zu Deinen 100dB kommen. Vor die erste Stufe und zwischen die beiden Stufen gehört dann ein entsprechender Bandpaß: - Hochpaß, damit die Offsetspannung nicht verstärkt wird - Tiefpaß, um das Rauschen zu minimieren Gruß, Michael
Hallo Michael Ja es geht um Spannungsverstärkung. >>Hinsichtlich des Rauschens geht es um die Bandbreite des Signals. Da >>hast Du leider keine Angaben zu gemacht. 100dB = Faktor 100.000 bei der >>Spannung ist schon eine ganze Menge. Geht es um 125 kHz? Es geht um 124/134 kHz ( Frequenzmodulation ) Die Verstärkung liegt sogar eher 120 dB ! >> mit 4nV/sqrt{Hz}. Das ist recht viel. >> Visiere 0,7nV/sqrt{Hz} an. Werde es mal testen ! >> will ich Dir das Bauteil AD8331 ans Herz legen >> Wenn Du davon zwei in Reihe schaltest (AD8332, Vorsicht - nicht bei >> Farnell erhältlich), solltest Du zu Deinen 100dB kommen. >> Vor die erste Stufe und zwischen die beiden Stufen gehört dann ein >> entsprechender Bandpaß: >> - Hochpaß, damit die Offsetspannung nicht verstärkt wird >> - Tiefpaß, um das Rauschen zu minimieren Zur Zeit habe ich eine vierstufige Verstärkerschaltung mit einem Bandpass zwischen jeder Stufe und auch vor dem Ganzen. Ich habe vier Stufen gewählt, da ich einen Bandpass mit größerer Steilheit wollte ( 2 * Bandpass -> zweiter Ordnung, 4 * Bandpass -> Filter vierter Ordnung 24 dB/Dekade ) Oder lieg ich da Falsch ? Also Du meinst den OPV tauschen bringt was ? Bringt es auch was die Widerstände gegen rauschärmere Typen zu tauschen ? Vielen Dank hmg Mandi
Hallo Manfred, *Eingangswiderstand:* Du baust das Ganze ja vermutlich in SMD auf. Da nimmst Du Metallschichtwiderstände, vermutlich 47 Ohm für den Eingangswiderstand. 47 Ohm machen etwa 0,7nV/\sqrt{Hz}. uR = \sqrt{4kTRB} k: Boltzmannkonstante T: absolute Temperatur R: Widerstand B: Bandbreite Das Rauschen des Eingangswiderstandes hast Du immer. Du mußt es quadratisch zu dem OPV-Rauschen addieren. OPV-Rauschen Ich nehme an, daß Du die gesamten 125 kHz ausnutzt: 4nV/sqrt{Hz} * \sqrt{125kHz} = 1,41 µV Das Ganze multipliziert mit der Verstärkung von 120dB = 10^6 ergibt ein Rauschen von 1,41V RMS, was ganz schön viel ist. Also: Bandpaß verwenden (verringert die Bandbreite). Wenn Du von 125kHz auf 12,5kHz heruntergehst, verringert sich das OPV-Rauschen etwa um den Faktor 3 (Wurzel 10). und zusätzlich: Rauschärmeren Verstärker verwenden. Wenn Du statt 4nV/\sqrt{Hz} 0,7nV/\sqrt{Hz} verwendest, geht das Rauschen nochmals knapp um den Faktor 6 runter. Allerdings Das berechnete Rauschen ist das Rauschen, das von der ersten Stufe kommt, ohne Berücksichtigung des Eingangswiderstandes. Das Rauschen der nachfolgenden Stufen ist nicht so schlimm, da es durch die Verstärker wesentlich weniger verstärkt wird. Rückkopplungswiderstand In einer nichtinvertierenden OPV-Schaltung sind 27 Ohm vom +(Eingang) zur Masse vollkommen ausreichend. Sonst erhöht sich das Rauschen nochmals. Gruß, Michael
Hallo Manfred, pste einfach mal die Schaltung. Wenn ich heute abend Zeit habe, schaue ich sie mir mal an. Gruß, Michael
Mir fällt da ein: Da Du nur 125kHz hast, kann es sein, daß das 1/f-Rauschen stärker als das durch die nV/\sqrt{Hz}-Angaben bezeichnete weiße Rauschen ist. Das ist bei der Auswahl der OPV zu berücksichtigen.
Manfred Schön wrote: > Sind Kohlewiderstände wirklich rauschärmer als Metallschicht ? > (Zur Zeit verwende ich SMD Metallschicht) Bringt es was die Widerstände > zu tauschen ? Vermutlich nicht. Widerstandsrauschen im Signal wird durch die Widerstände im Signalweg verursacht. Die sind in Deiner Schaltung im Eingangsbereich (hoffentlich) ohne überlagerten Gleichstrom. Dann erhälst Du am Widerstand nur das physikalisch bedingte thermische Rauschen und das ist unabhängig vom Werkstoff. > Was bedeutet 4nV/W(Hz) ? > > Legende : W( ... Wurzel Das kannst Du Dir so vorstellen: Bei einer Signalbandbreite von 1 Hz bekommst Du eine eff. Rauschspannung von 4 nV. Bei 4 Hz sind es 8 nV bei 16 Hz 16 nV usw. Da die Leistung quadratisch mit der Spannung steigt, bedeutet das auch, dass die Rauschleistung proportional zur Bandbreite ist. Jörg
Hallöchen Zuerst mal vielen Dank an alle die bisher geantwortet haben. Es wurden dadurch alle meine Fragen beantwortet. Beiliegend einmal die Schaltung der Verstärkereinheit. Einfach, aber funktioniert soweit sehr gut. Ich möchte halt versuchen das Rauschen etwas zu mindern. Michael Du meinst also ich soll die Widerstände R37,R45.... weit niederohmiger machen. Es würden dadruch auch die Widerstände R38 , R46 ... niederohmiger. Wegen der 47 Ohm. Ich muss keine Anpassung an einen Wellenwiderstand ( 50 Ohm ) machen !!! Ich suche nun für einen Test eine pinkompatiblen Vierach-OPV mit weniger Rauschen. ( ein zweifach OPV im DIL8-Gehäuse ginge auch ) Möchte für den Test nicht eine komplett neue Schaltung entwerfen sondern nur den IC tauschen und nachmessen ob und wieviel das Rauschen geringer geworden ist. Kann mir jemand so eine OPV empfehlen ? hmg Mandi
Hier gibt's einen ganz brauchbaren Artikel zu diesem Thema: "Eigenrauschen in Operationsverstärkerschaltungen" http://www.elektronikpraxis.vogel.de/index.cfm?pid=856&pk=90738
Hallo, ein Operationsverstärker wäre beispielsweise der AD8004 mit der entsprechenden Tiefpaßfilterung (der ist recht schnell). Wahrscheinlich ist das aber nicht das eigentliche Problem. Bei der Eingangsstufe würde ich auch noch einiges verändern. Probier doch einmal folgendes. - Ersetze R30 durch eine Induktivität L. - Belasse C44, ändere eventuell nur den Wert in die Kapazität C. - Ersetze R34 durch einen Kurzschluß (Drahtbrücke oder 0-Ohm-Widerstand) - Lasse C45 offen. - Ersetze R33 durch den Wellenwiderstand R der Antenne, ansonsten setze R=47 Ohm. - Belasse die Angstdioden, wo sie sind (ich nehme gerne BAV99 als Doppeldioden in einem kleinen SOT3-Gehäuse, aber das Gehäuse ist egal). - Verwende den AD8004 als OPV (1,5 nV/sqrt{Hz} statt 4 nV/sqrt{Hz}). Du kannst auch zunächst den bisherigen OPV belassen. Ich weiß aber nicht, ob der mit 27 Ohm Rückkopplungswiderstand funktioniert. Beim AD8004 gehe ich ganz stark davon aus. Ich habe selbst schon den AD8000 verwendet. - Ersetze R37 durch 27 Ohm. - Ersetze R38 durch 1,8 kOhm. - Belasse den Rest, wie er ist. Die Werte von R, L und C mußt Du Deinem Problem entsprechend anpassen. Zunächst gilt für die Resonanzfrequenz, das heißt die mittlere Frequenz, die durchgehen soll: fRES = 1/(2 pi sqrt{LC}) Du wählst für Dein Beispiel natürlich 125 kHz = 1/(2 pi sqrt{LC}) Das Verhältnis von L und C darfst Du zunächst beliebig variieren. ABER: Du willst ja eine gewisse Bandbreite um die 125kHz erhalten. Also mußt Du L/C so anpassen, daß die Spannung am OPV R ------------------------- * U_Antenne R (+ RI) + jwL + 1/(jwC) ausreichend breitbandig ist. Das simulierst Du am einfachsten in Matlab/GNU Octave oder rechnest es umständlich aus. Das Verhältnis L/C hängt also bei festgelegtem R von der benötigten Bandbreite ab. Schau dann mal, ob für eventuelle Pulse die Strombegrenzung durch die Induktivität groß genug ist. L und C kannst Du auch in der Reihenfolge vertauschen (sinnvoll, wenn Deinem Eingangssignal eine Gleichspannung überlagert ist). Ich denke, damit erreichst Du ein deutlich geringeres Rauschen: a) die großen Widerstände am Eingang fallen weg b) du hast keinen Spannungsteiler am Eingang für die Angstdioden c) der Rückkopplungswiderstand ist geringer Nur zur Sicherheit erwähne ich nochmal, daß in unmittelbarer Nähe des OPV beide Versorgugnsspannungen mit 100nF-Kondensator gegen Masse abgepuffert werden sollten. Gruß, Michael
Vorsicht mit AD8004, das ist ein Current Feedback Typ. Die sind mit "gewöhnlichen" OPVs nicht vergleichbar, wenn man mit solchen Teilen noch nicht gearbeitet hat kann das in gewaltig in die Hose gehen. http://groups.google.de/group/de.sci.electronics/browse_thread/thread/7f3bbb84b7d124c4
Hallo Michael. Danke für Die Verbessungsvorschläge. Es gibt dabei nur ein Problem - denke ich : Den R30 brauch' ich als Widerstand. Ansonste sterben die beiden Dioden D28/29. Zur Erklärung : Die Spule wird für 50 msec zum Schwingen angeregt um Energie zum Transponder zu übertragen. Dabei können schon mal weit über 200Vpp entstehen. Die würden mir wohl den OPV töten ! Erst danach wird die Eregung beendet und der Transponder induziert sein Signal in die Spule. Es handelt sich bei dem System NICHT um ein Standart 125 kHz System. Sondern um ein System für Tieridentifitkation welches sequentiell mit 124/134kHz ( Frequenzmodualtion ) arbeitet. Die Demodulierung mache ich in ein uC ( ATMega88 ) Wie bereit erwähnt läuft die Schaltung bereits ganz brauchbar. Ich müsste nur mehr die Reichweite verbessen und dazu wäre einer meiner Ansätze auch das Rauschen zu unterdrücken ! hmg Mandi
Hallo Manfred, ich habe schon verstanden, daß es Dir um die Verringerung des Rauschens geht. Drum empfehle ich Dir ja, den Eingangswiderstand zu verringern. Genau dort ist das Rauschen der Widerstände nämlich besonders kritisch. Du schreist nur deshalb nicht "Hurra - das ist die Lösung!", weil Du meiner Schaltung nicht traust. Das liegt aber nur daran, weil Du sie nicht kennst. Es handelt sich bei der Schaltung nämlich um eine ganz gewöhnliche Sende-/Empfangsumschaltung, wie sie ähnlich in jedem Funkgerät enthalten ist. Ich verwende derartige Schaltungen für Ultraschall; da laufen sie ganz analog. Die Sende-Empfangsschaltung hat die Eigenschaft, hohe Spannungen vom Empfänger (dem OPV) fernzuhalten und die niedrigen Empfangsspannungen durchzulassen. Es gibt prinzipiell zwei Arten von Sende-/Empfangsumschaltungen: a) die Sende-/Empfangsumschaltung, die ich Dir genannt habe b) eine Sende-/Empfangsumschaltung unter Verwendung einer Diodenbrücke. Beide funktionieren bei geeigneter Dimensionierung der Bauteile auch für 200V-Pulse. Das beigefügte Schaltbild enthält Prinzipbilder von beiden Sende-Empfangs-Umschaltungen. Ich habe sie für Ultraschallanwendungen mit 3 MHz und einen Wellenwiderstand von 50 Ohm dimensioniert. Du mußt also manche Werte ändern. *Erklärung zu a)* - es sind jeweils die beiden oberen Jumper gesetzt - SE_OUT und AMP_IN sind verbunden Der Pulsgenerator IN regt einen starken Sendepuls an. Dieser wird abzüglich dreier Flußspannungen auf die Antenne US1 gegeben. Der OPV ist geschützt, da die Diode D104 am OPV-Eingang maximal eine Flußspannung erlaubt. Die Strombegrenzung bei der Diode erfolgt durch die Spulen L101 und L102. Im Empfang kommen von der Antenne US1 sehr geringe Spannungen. Die Dioden D101-D103 sperren und verhindern einen Stromfluß zum Pulsgenerator IN bzw. irgendwelche kleinen Störnungen vom Pulsgenerator IN. Der Empfangsstrom fließt über die Spulen L101/L102 und den Kondensator C113 auf den Empfangsverstärker SE_OUT/AMP_IN. Für die Empfangsfrequenz sind L101/L102 und C113 ein Kurzschluß (Serienschwingkreis!). Die Diode D104 ist aufgrund der nur geringen Spannungen im Empfang ein Leerlauf. Der Empfänger hängt dementsprechend im Empfang direkt am Eingangswiderstand R106 Deiner Schaltung, ohne zusätzliche Rauschquellen (L und C rauschen nicht). *Erklärung zu b)* - es sind jeweils die beiden unteren Jumper gesetzt - SE_OUT und AMP_IN sind verbunden Der Pulsgenerator IN regt einen starken Sendepuls an. Dieser wird abzüglich dreier Flußspannungen auf die Antenne US1 gegeben. Der OPV ist geschützt, da bei Spannungspulsen von mehr als +/-2.5V jeweils eine der Dioden D105/D106 sperrt. Im Empfang kommen von der Antenne US1 sehr geringe Spannungen und Ströme. Die Dioden D105 und D106 sind für kleine Wechselströme leitfähig, und zwar beide Pfade: - C117 -->D105 links --> D105 rechts --> C118 - C117 -->D106 links --> D106 rechts --> C118 Der Grund ist der Stromfluß +5V-->Dioden-->0V, der sie zu Spannungsquellen mit einem geringen Innenwiderstand macht. (Vorsicht Dimensionierung: R104 und R105 sollten etwa 100-200 Ohm betragen, damit der Widerstand der Brückenschaltung geringer im einstelligen Ohm-Bereich liegt.) D107 ist eine Angstdiode, die die Spannung am OPV überdies auf +/- eine Flußspannung begrenzt. Ihr Strom wird durch R104/R105 begrenzt. Für Deine Anwendung kannst Du beide Schaltungen verwenden. Bei a) mußt Du aufpassen, daß L101/L102 den Stromfluß durch D104 beim Senden ausreichend begrenzt ist. Die Sperrspannungen der Dioden sind egal, da jeweils zwei Dioden antiparallel geschaltet werden. (Die Sperrspannung beträgt maximal eine Flußspannung.) Bei a) hast Du den Vorteil, daß von Anfang an ein Bandpaß enthalten ist. Bei b) mußt Du aufpassen, daß die Sperrspannungen der Dioden D105 und D106 ausreichend groß sind, da D105 und D106 die volle Sendespannung abbekommen. Die eingetragenen Modelle sollten 180V Sperrspannung aushalten. (Hinweis: Das Diodenzeichen zeigt eine Schottkydiode. In Wirklichkeit sind MMBD-1505 und MMBD-1504 jedoch Siliziumdioden. Schottkydioden gibt es nur bis etwa 80V Sperrspannung.) Achte darauf, daß Du Diodenpaare im gleichen Gehäuse verwendest: Oben mit gemeinsamer Anode, unten mit gemeinsamer Kathode. Das ist sinnvoll, damit links und rechts etwa derselbe Strom fließt. (C114 und C116 sollen in beiden Fällen wegbleiben. Aus einem Grund, den ich noch nicht verstanden habe, klappt das so nicht. An den Ausgang gehört außerdem noch ein Antialiasing-Tiefpaß, den ich extern beschalte.) Gruß, Michael
Hallo Michael >>Du schreist nur deshalb nicht "Hurra - das ist die Lösung!", weil Du >>meiner Schaltung nicht traust. Das liegt aber nur daran, weil Du sie >>nicht kennst. Stimmt teilweise. Wollte es bereits heute testen. Bekommen aber erst morgen wieder eine Antenne und werde es dann gleich machen. >>(L und C rauschen nicht). Danke für diese weiter Information hmg Mandi
Mal so als Tipp: Schau Dir mal die Schaltungstechnik von Vorverstärkern für Plattenspieler an. Stichwort Moving-Coil-Tonabnehmer. Da sitzen mitunter 8-16 Transistoren in Basisschaltung parallel am Eingang als erste Verstärkerstufe. Vielleicht hilfts.
Hallöchen Hab' nun meine Versuche gestartet und festgestellt, dass das Signal gar nicht so arg von der Schaltung verrauscht wird. Ich habe festgestellt, dass die Störungen eine gewisse Frequenz haben und das die Ladungspumpe mit der ich die negative Hilfsspannung für die OPV erzeuge mit dieser Frequenz arbeitet. Es scheint daher nun so, das der Ripple auf der negativen Spannungsversorgung der OPV's auf das Signal durchschlägt. ( Siehe beiliegendes Bild ) Ich werde nun daher versuchen die Ladungspumpe zu optimieren. ( größere Kondensatoren oder welche mit Low-ESR ). Ich verwende einen MAX660 als Inverter-Ladungspumpe. Trotzdem mal vielen Dank an alle. hmg Mandi
Hallo Manfred, das ist natürlich eine Erklärung! Beachte auch, daß die Ladungspumpen auf die positive Versorgungsspannung durchschlagen, da sie regelmäßig Strom ziehen und damit die positive Versorgungsspannung leicht runterziehen. Als erstes würde ich daher versuchen, die Versorgungsspannung von Analogschaltungsteil und Schaltnetzteil. Dazu kannst Du eine 1000 Ohm Ferritperle und/oder eine Spule mit hoher Grenzfrequenz (z. B. Durchsteckspulen; die sind groß genug, so daß die Spulenwicklungen nicht als Kapazität wirken). Wenn's nichts bringt, bringt auf jeden Fall ein Widerstand etwas. Dieselbe Maßnahme würde ich auch für die -5V Versorgungsspannung treffen. Dann brauchst Du vielleicht die Massen nicht zu trennen. Gruß, Michael
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