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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Verstärkerschaltung aus µV-Bereich


Autor: Daniel Knobl (g-beret)
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Hallo ich möchte gerne ein Signal (AC) aus den µV-Bereich auf in 
V-Bereich (1-3V). Allerdings brauch ich mein Signal so störfrei wie 
möglich. D.h. größer SNR.
Ich habe etwas auf dem Papier rum gebastelt und würde mit einen 
Impedanzwandlerstufe beginnen und zwar mit dem Ina 116 von Ti da der ein 
besonderes hohen Eingangswiderstand hat(Verstärkung = 1). Danach zwei 
OPV´s (OPA 227), invertiernd geschaltet, mit jeweils einer Verstärkung 
von 100, wobei ich den zweiten dann evtl. nochmal schalten will mit 
einen anderen Widerstand, so dass ich vlt. auch eine Verstärkung von 200 
oder sogar auch mal 1000 habe. Einfach zum testen. Allerdings weiß ich 
nicht wie es mit der Betriebsspannung aussieht, brauch ich wirklich so 
eine Schaltung wie im Tutorial? Die Netzteile die mir zu Verfügung 
stehen sollen sehr genau sein. Reicht es nicht einfach einen 10µF 
Kondensator dazwischen zu bauen.
Ein weiteres Problem ist das der INA 116 in der Beschaltung im 
Datenblatt vor den Eingängen zwei 100Mohm Widerstände hat, sind die 
Notwendig?
Sollte man die einzelnen Stufen nochmals mit Kapazitäten entkoppeln?
Welche Widerstandsverhältnisse sind nützlich also lieber 100/1 oder 
200/2 oder 10000/100 oder ist das mir überlassen? Desweiteren wollte ich 
das ganze dann noch Filtern und habe mir Filter ausrechenen lassen von 
dem TI-FilterPro Tool. Aber dort bekomm ich natürlich Werte für 
Widerstände und Kondensatoren die ich so nich zu kaufen bekomme. Ich 
denke dort kann man mit kleinen Abweichungen leben oder?
Ist es vlt. nicht sogar schlauer erst zu filtern und dann zu verstärken 
oder verstärken/filtern/verstärken?

Danke für euer Hilfe, wenn ihr noch was wissen müßt fragt einfach.

Autor: Ralf Schwarz (spacedog) Benutzerseite
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Welches Tutorial?
Welches Datenblatt?
Welche Seite?

Autor: Jens G. (jensig)
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welcher Frequenzbereich?

grundsätzlich würde ich hier nichts zu hochohmig machen - zumindest 
nicht in der Eingangsstufe wegen dem Rauschen und externe 
Störeinstrahlungen. Und vor allem dort einen rauscharmen OPV nehmen.
Die Spannungsanschlüsse würde ich über je ein RC-Glied an den Saft 
hängen.
Das mit dem Filtern ist eigentlich (fast) egal. Wenn die OPV's aber 
recht breitbandig sind, erhöht sich auch deren Rauschspannung, so daß 
bei entsprechender Verstärkung die Ausgangsstufen bereits übersteuert 
werden könnten. Deshalb die Filterstufe weiter vorne einsetzen. Ich 
würde hier einfach mit der ersten Stufe erstmal verstärken um 100, dann 
Filter rein, dann weiter verstärken.

Autor: Der Brueller (Gast)
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Ich schliess mich dem Vorredner an. Der INA116 ist fuer die Tonne. Der 
bringt da nichts. Was ist die Quellenimpedanz ? Ja, der Strom geht gegen 
Null, die Spannung aber auch. Die Qellenimpedanz muss tief sein, sonst 
hat man verloren. Ich wuerd auch mit einem hinreichend rauscharmen 
Verstaerker zB einem LT1128 mit 0.9nV/rtHz um einen Faktor 100 
verstaerken, in elektrometerschaltung, dh nichtinvertierend. Dann einen 
schmalen filter und nochmals einen Faktor 100.

Was soll das Ganze ? N' Lock-in ?

Autor: Daniel Knobl (g-beret)
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Datenblatt des INA116
Tutorial hier auf der Seite glaube unter OPV´s.
Frequenzbereich zwischen 5Hz - 1kHz
Geht um ein Sensor, der geteste werden soll. Wie genau das Signal 
aussieht weiß ich noch nicht.
Allerdings ist ein Hohereingangswiderstand (100Tohm) gefordert.
Wie ist das mit den Verhältnissen? Egal?

N' Lock-in ????

Der OPA227 ist doch gut rauscharm genauso wie der Ina116 oder hab ich 
mich da vertan?

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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> Allerdings ist ein Hohereingangswiderstand (100Tohm) gefordert.
Ja, dann war da noch das Widerstandsrauschen... :-/
http://www.elektronikinfo.de/strom/op_rauschen.htm
http://www.elektronikinfo.de/strom/widerstandsrauschen.htm

Autor: Aehh (Gast)
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Eine Simulation fehlt leider bei den Links. TeraOhm sind leider 
ausgeschlossen. Das wird nichts. Siehe 1000 Hz und die Spannung gegen 
den Widerstand bei Raumtemperatur.

Autor: Lachender Praktiker (Gast)
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> Allerdings ist ein Hohereingangswiderstand (100Tohm) gefordert.

Haha! Hier wird es immer lustiger!

100.000.000.000.000 Ohm Eingangswiderstand, 0,34 Picosekunden 
Anstiegszeit, vor einigen Wochen ein 1000-Volt-Netzteil mit Genauigkeit 
im Mikrovolt-Bereich und noch vieles mehr...

Bitte mehr davon!

Autor: Daniel Knobl (g-beret)
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Sorry versteh ich grad nicht, was du da meinst Aehh!
Hier mal der Link zum INA116:
http://www.ti.com/lit/gpn/ina116

Autor: Jens G. (jensig)
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Wie kommt man auf TOhm? Ist der Sensor so hochohmig, daß er so hoch 
abgeschlossen sein soll? Wie dem auch sei - wenn der Sensor so hochohmig 
sein sollte, dann rauscht er vermutlich recht kräftig. Der INA rausch 
lt. DB ebenfalls ganz toll (bei ein paar Hz hat er 1µV/rtHz). 
Hochgerechnet auf die Bandbreite kommste auf wenige 10µV Rauschenalleine 
vom OPV. Da ist nicht mehr viel mit µV-Signalen verstärken wollen.

Autor: Raimund Rabe (corvuscorax)
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Was für'n ominöser Sensor ist das eigentlich?!?
Ich kenne eigentlich nur einen Sensor, bei dem man wirklich einen hohen 
Eingangswiderstand benötigt - und der widerrum benötigt einen 
sogenannten Ladungsverstärker!
Wenn es sich also um solch einen Sensor handelt, sind alle bisherigen 
und gut gemeinten Beispiele für die 'Katz'.

Autor: Daniel Knobl (g-beret)
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Wie sollte ich die Sache dann angehen?
Wie bekomme ich mein Rauschen am Besten unterdrückt?
Ja ich denke der Senor rauscht sehr. Es wird kapazitiv gemessen.

Autor: Aehh (Gast)
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Um welche Frequnz handelt es sich denn ? 1Hz, 1kHz, 1MHz ?

Autor: Daniel Knobl (g-beret)
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Zwischen 5Hz-1000HZ...siehe Oben

Autor: Andreas (Gast)
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Wie wäre's mit einem Lock-In-Verstärker

Autor: Seb (Gast)
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Ich vermute mit "TOhm" sind kOhm gemeint oder Daniel? Das funktioniert 
nicht einmal mit Röhren oder FETs.

Autor: Daniel Knobl (g-beret)
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Nein leider nicht, finde die 100Tohm auch viel zu hoch. Doch laut meiner 
Vorlage, das heißt irgend ein Japaner hat diesen Sensor schonmal 
getestet und das mit einen Verstärker der 100Teraohm Eingangswiderstand 
hatte.
Welcher das genau ist verrät er natürlich nicht.
Vlt. versuch ich es mit einen kleinern. Welchen würdet ihr mir 
empfehlen?
Also sollte schon noch ein hohen Eingangswiderstand haben.

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (christoph_kessler)
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Man unterscheidet Strom- und Spannungsrauschen, je nach Impedanz der 
Quelle können unterschiedliche Operationsverstärker die beste Lösung 
sein. Eine Applikationsschrift von Analog Devices:
http://www.analog.com/static/imported-files/applic...
"Low Noise Amplifier Selection Guide for Optimal Noise Performance"
zeigt das in mehreren Diagrammen und Tabellen

Autor: Helmut S. (helmuts)
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Daniel Knobl schrieb:
> Datenblatt des INA116
> Tutorial hier auf der Seite glaube unter OPV´s.
> Frequenzbereich zwischen 5Hz - 1kHz
> Geht um ein Sensor, der geteste werden soll. Wie genau das Signal
> aussieht weiß ich noch nicht.
> Allerdings ist ein Hohereingangswiderstand (100Tohm) gefordert.
> Wie ist das mit den Verhältnissen? Egal?
>
> N' Lock-in ????
>
> Der OPA227 ist doch gut rauscharm genauso wie der Ina116 oder hab ich
> mich da vertan?

Die haben halt einen Verstärker mit Jfet-Eingang genommen. Da gibt es 
welche die bei Raumtemperatur sub-pA EIngangsstrom haben.

Ri = 1V/1pA = 1Tera-Ohm

Jetzt suchst du dir einen mit 0,0xpA Eingangsstrom und gut ist.

Wenn der Sensor wirklich so hochohmig ist, z. B. zig-MegaOhm, dann 
brauchst du dir um das Spannunsgrauschen des Opamp nicht die ganz großen 
Sorgen machen.

Autor: MaWin (Gast)
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> Doch laut meiner Vorlage, das heißt irgend ein Japaner hat
> diesen Sensor schonmal getestet und das mit einen Verstärker
> der 100Teraohm Eingangswiderstand hatte.

Wunder sind selten seriös.

Alleine das Widerstandsrauschen ist grösser als deine uV.

Der Mann hat Mist gemessen.

Autor: Aehh (Gast)
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Es ist sehr unwahrscheinlich, dass man bei uV Signalen noch TeraOhm 
braucht. Um welchen Typ Sensor geht es denn ?

Autor: Ulrich (Gast)
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Selbst bei 5 Hz entspricht eine Kapazität von 1 pF schon einer Impedanz 
von rund 0,03 Tohm. Mit 1 pF kreigt man gerade mal etwa 1 cm Kabel.

Ganz so hochohmig muß der Verstärker also gar nicht sein. Ein Bias Strom 
könnte aber schon stören. Auch ist es so das man bei mehr Bias Strom in 
der Regel auch mehr Stromrauschen hat, und das wird auch mehr stören als 
das Spannungsrauschen. Realistisch sind Werte von rund 1 TOhm in etwas 
unter 1 pA. Schon dafür ist das Layout und Sauberkeit wichtig, sonst 
helfen die besten Teile nichts.

Eine Alternative zum OP oder INA ist eventuell auch ein JFET als 
Sourcefolger. Bei einigen Typen kann man da direkt mit kapazitver 
Kopplung am Eingang arbeiten, ohne sich um ein Vorspannung zu kümmern.

Das Rauschen der Verstärker dahinter kann man dann schon ziehmlich 
vergessen, selbst wenn die Eingangsstufe nur etwa 10 (oder gar 1 fache) 
fache Verstärkung hat.

Es sollte klar sein, dass ein so hochohmiger Eingang nicht vernünftig 
gegen ESD zu schützen ist.

Autor: HildeK (Gast)
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>... würde mit einen
>Impedanzwandlerstufe beginnen und zwar mit dem Ina 116 von Ti da der ein
>besonderes hohen Eingangswiderstand hat(Verstärkung = 1).

Ich habe die obigen Posts nur oberflächlich überflogen, aber für eine 
rauscharme Verstärkung muss die erste Stufe bereits verstärken. Ein 
reiner Impedanzwandler mit v=1 verringert den S/N - das ist nie wieder 
aufzuholen.

Zu Zeiten der Moving-Magnet-Tonabnehmersysteme hat man auch Ansätze 
verfolgt, bei denen z.T. viele gleichartige Transistorverstärker 
parallel betrieben wurden, um den Rauschbeitrag dieser Stufen zu 
minimieren. Dadurch wurden die n Ausgangssignale linear addiert, während 
das Rauschen nur mit SQRT(n) am Ausgang erschien.

Autor: Aehh (Gast)
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Falls moeglich sollte man die Bandbreite klein werden lassen, ein 
Lock-in kann das. Bei 1kHz mit 1Hz Breite messen.

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