Hallo zusammen
Ich simuliere gerade einen möglichen Ausgangsfilter für den PCM1681
(Single-ended Sigma-Delta-DAC). Das Datenblatt schlägt einen Multi
Feedback Tiefpass mit einem OPAxxxx vor. Von den Spezifikationen des
DACs und meines restlichen Systems ist jedoch ein einfacherer OPV
ausreichend.
Eines Vorweg: Mir geht es hier nicht darum, möglichst leicht eine
praktikable Lösung zu finden, sondern aus akademischer Sicht, einen
ausreichenden Filter mit einem einfachen OPV zu konstruieren.
Ich habe jeweils eine Multi Feedback und eine Sallen Key Topologie
simuliert. Die Sallen Key Variante schneidet im unteren Frequenzbereich
klar besser ab (Noise Gain in Non-Inverted), allerdings kann ich mir den
Peak bei ~40kHz nicht erklären. Eine leichte Überhöhung tritt auch beim
Multi Feedback Tiefpass auch auf.
Meine Frage dazu wären:
- Warum tritt der Peak/Überhöhung auf? Es scheint mit der Grenzfrequenz
und dem OPV zusammenzuhängen.
- Kann Rauschen über >20kHz bei Audio überhaupt zu einem Problem werden?
Gerne auch dazu Literaturtipps bezüglich der Rauschanalyse. Ich hatte
das zwar im Studium und kann die Schaltungen auch von Hand berechnen.
Die Überhöhungen sehe ich da allerdings auch nicht.
avr schrieb:> - Warum tritt der Peak/Überhöhung auf? Es scheint mit der Grenzfrequenz> und dem OPV zusammenzuhängen.
1. der NE5532 ist für +-2,5V nicht geeignet
2. deine SK-Filterapproximation macht selbst eine 1dB-Überhöhung bei
24,8kHz
3. der NE5532 ist ein unterkompensierter getrickster OPV, der ist für
Verstärkungen dicht an 1 unbrauchbar macht Überschwingen
Elliot schrieb:> avr schrieb:>> - Warum tritt der Peak/Überhöhung auf? Es scheint mit der Grenzfrequenz>> und dem OPV zusammenzuhängen.>> 1. der NE5532 ist für +-2,5V nicht geeignet
Das stimmt und ist mir bewusst. Es ist noch ein Überbleibsel des AD8541
aus der LT-Spice Library. Ändert jedoch nichts an der Simulation.
> 2. deine SK-Filterapproximation macht selbst eine 1dB-Überhöhung bei> 24,8kHz
Um die 1dB geht es mir nicht, da weiß ich auch wo die herkommen. Das
Rauschen verdreifacht sich aber.
> 3. der NE5532 ist ein unterkompensierter getrickster OPV, der ist für> Verstärkungen dicht an 1 unbrauchbar macht Überschwingen
"These operational amplifiers are compensated internally for unity-gain
operation", habe ich was übersehen?
1. Der NE5532ist sehr wohl für Unity-Gain kompensiert. Der NE5534 ist es
nicht. (-> Blick ins Datenblatt!)
2. Das linearisierte Modell für 5 V Betriebsspannung sollte sich nicht
in nennenswertem Maße von dem des für Modells für höhere
Betriebsspannungen unterscheiden.
3. Beides erklärt nicht die Rauschspektren, nach denen gefragt wurde.
(Ein un- oder unterkompensierter Op-Amp würde bei sehr viel höheren
Frequenzen schwingen.)
Zur Frage, zunächst eine Gegenfrage: Sind die Frequenzgänge beider
Schaltungen identisch?
Wie du sicherlich weißt, sind Widerstände und Halbleiter Rauschquellen.
Ich unterstelle, dass dir bekannt ist, wie große deren Rauschen ist.
Wenn du jedes der Elemente als AC-Quelle nimmst und die
Übertragungsfunktion für diese Quelle simulierst (z. B. durch
Parallelschalten einer AC-Stromquelle zu den Widerständen), siehst du,
welches Element dominant beim Rauschen ist. Ich gehe davon aus, dass die
dominante Rauschquelle auch hauptsächlich das beobachtete Rauschspektrum
ergibt. Dann kannst du dessen Übertragungsfunktion ermitteln und siehst
auch in der dann, was da passiert.
Dir wird sicherlich auch bekannt sein, das hochohmigere Widerstände
größere Rauschspannungen (und kleinere Rauschströme) erzeugen, und das
Rauschströme der OPVs an hochohmigeren Widerständen größere
Rauschspannungen erzeugen. Wenn's rauscharm sein soll, ist das zu
beachten.
Der Zahn der Zeit (🦷⏳) schrieb:> 1. Der NE5532ist sehr wohl für Unity-Gain kompensiert.
Was nur heißt, daß er da nicht von selbst schwingt. Er macht aber ein
starkes Überschwingen. Es gibt auch kein Datenblatt mit einem
vernünftigen Bode-Diagramm. Die gezeigten sind nicht plausibel, dazu
Auszug im Anhang. 100dB Verstärkungsabsenkung in nur 4 Frequenzdecaden
ist unmöglich bei einem 1-stabilen OPV.
> 3. Beides erklärt nicht die Rauschspektren, nach denen gefragt wurde.> (Ein un- oder unterkompensierter Op-Amp würde bei sehr viel höheren> Frequenzen schwingen.)
Von "schwingen" war keine Rede, er überhöht dort, wo er durch das
Rückkopplungsnetzwerk "unterstützt" wird.
avr schrieb:>> 3. der NE5532 ist ein unterkompensierter getrickster OPV, der ist für>> Verstärkungen dicht an 1 unbrauchbar macht Überschwingen> "These operational amplifiers are compensated internally for unity-gain> operation", habe ich was übersehen?
Es ist doch ganz einfach, mal eine Simulation mit einem idealen OPV zu
machen (hat jeder Simulator vorrätig) und mit der Simulation mit dem
NE5532 zu vergleichen. Die Unterschiede können nur vom NE5532 kommen.
Elliot schrieb:> Er macht aber ein starkes Überschwingen.
Wie definierst du den Begriff "Überschwingen"? Überschwingen bei der
Sprungantwort oder Peaking im Frequenzgang?
Wie auch immer - das findet, wenn überhaupt, bei der Transit-Frequenz
statt, hier also bei 10 MHz. Die zusätzliche Phasendrehung spielt im
Audio-Bereich überhaupt keine Rolle.
Elliot schrieb:> Die gezeigten sind nicht plausibel, dazu> Auszug im Anhang. 100dB Verstärkungsabsenkung in nur 4 Frequenzdecaden> ist unmöglich bei einem 1-stabilen OPV
Stimmt. Da hat wohl ein Künstler statt eines Ingenieurs auch mal eine
Grafik gemacht.
Dazu kommt, dass bei den Spice-Modellen der Hersteller (oder dem
einzigen, das ich mal fand) die Kompensations-Kapazität schlicht und
ergreifen fehlt. Das fand ich heftig.
Der Zahn der Zeit (🦷⏳) schrieb:> Wie definierst du den Begriff "Überschwingen"? Überschwingen bei der> Sprungantwort oder Peaking im Frequenzgang?
Es gibt da kein "oder", immer nur beides. Bildquelle: Tietze/Schenk,
Halbleiter-Schaltungstechnik
> Die zusätzliche Phasendrehung spielt im> Audio-Bereich überhaupt keine Rolle.
Es geht nicht um die Phasendrehung im Audio-Bereich, sondern um die
Stabilität des OPV, das sind vollkommen verschiedene Dinge.
> Da hat wohl ein Künstler statt eines Ingenieurs auch mal eine> Grafik gemacht.
So ist das in den Datenblättern aller Hersteller. Der OPV hat mit 1kHz
eine viel zu hohe erste Polfrequenz. Man muss bis 10MHz also 1
Verstärkungsdecade irgendwie loswerden. Dazu hat der eine Korrektur mit
2 Polen und einer Nullstelle (das ist die Trickserei für hohe
Schleifenverstärkung im NF-Bereich), was zu einer sehr geringen
Phasenreserve bei höheren Frequenzen führt.
Elliot schrieb:> Es gibt da kein "oder", immer nur beides. Bildquelle: Tietze/Schenk,> Halbleiter-Schaltungstechnik
Definitiv falsch. Bessel-Tiefpass: (fast) kein Überschwingen, erst recht
kein Peaking, Butterworth: Kein Peaking, aber Überschwingen. Nur weil es
einen Bereich gibt, innerhalb dessen nur Überschwingen, aber kein
Peaking existiert, sind diese Filtertypen definiert worden. Das ist auch
in dem T/S-Diagramm zu erkennen(!)
> Es geht nicht um die Phasendrehung im Audio-Bereich, sondern um die> Stabilität des OPV, das sind vollkommen verschiedene Dinge.
Aber dem TO geht es ausschließlich um den Audio-Bereich, und mir in
meiner 1. Antwort auch. Ich schließe auch nicht aus, dass es
Überschwingen (also bei der Sprungantwort) in den simulierten
Schaltungen gibt, aber eben bei ~10 MHz - und darum geht es in der
Simulation gar nicht.
> Der OPV hat mit 1kHz eine viel zu hohe erste Polfrequenz.
Da sind wir uns einig. Die wird tatsächlich bei typisch 100 Hz liegen.
Die folgenden Pole müssen für 1-Stabilität so hoch liegen, dass eine
weitere 90°-Phasendrehung jenseits der Transit-Frequenz liegt. Und wir
sind uns sicherlich auch einig, dass 1-Stabilität weder Abwesenheit von
Peaking noch Überschwingen bedeutet. Ich würde das allerdings nicht
Unterkompensation nennen.
Aber das ist alles komplett am Thema der Fragestellung vorbei.
Der Zahn der Zeit (🦷⏳) schrieb:> Zur Frage, zunächst eine Gegenfrage: Sind die Frequenzgänge beider> Schaltungen identisch?
Im wesentlichen ja. Die Grenzfrequenz unterscheidet sich um ein paar kHz
- das spielt für die Analyse keine Rolle.
> Wie du sicherlich weißt, sind Widerstände und Halbleiter Rauschquellen.> Ich unterstelle, dass dir bekannt ist, wie große deren Rauschen ist.> Wenn du jedes der Elemente als AC-Quelle nimmst und die> Übertragungsfunktion für diese Quelle simulierst (z. B. durch> Parallelschalten einer AC-Stromquelle zu den Widerständen), siehst du,> welches Element dominant beim Rauschen ist. Ich gehe davon aus, dass die> dominante Rauschquelle auch hauptsächlich das beobachtete Rauschspektrum> ergibt. Dann kannst du dessen Übertragungsfunktion ermitteln und siehst> auch in der dann, was da passiert.
Das ist richtig. Ich wüsste jedoch nicht welches Element diese
Frequenzabhängigkeit hervorrufen würde. Die Widerstände haben kein
Frequenzverhalten, das Spannungsrauschen des OPVs schon, allerdings
modellieren die Modelle in LT-Spice dies nicht soweit ich weiß.
Ich habe gerade den Tipp befolgt und einen idealen OPV eingesetzt.
Dieser zeigt die gleiche Überhöhung und diese ist auch vorhanden, wenn
ich alle Widerstände als rauschfrei annehme. Daher wird es an der
Topologie bzw. den Kondensatoren liegen. Eine genaue Erklärung fände ich
trotzdem wünschenswert.
> Dir wird sicherlich auch bekannt sein, das hochohmigere Widerstände> größere Rauschspannungen (und kleinere Rauschströme) erzeugen, und das> Rauschströme der OPVs an hochohmigeren Widerständen größere> Rauschspannungen erzeugen. Wenn's rauscharm sein soll, ist das zu> beachten.
Das ist mir bekannt. Hinsichtlich dessen sind die Schaltungen auch schon
optimiert. Die Sallen Key Variante würde sogar noch von niedrigeren
Widerstände profitieren, allerdings werden wohl irgendwann Verzerrungen
zunehmen, wenn die Feedback-Pfad stärker belastet wird.
avr schrieb:> Ich habe gerade den Tipp befolgt und einen idealen OPV eingesetzt.> Dieser zeigt die gleiche Überhöhung
... also ist er eine vernachlässigbare Rauschquelle (wenn das Modell
stimmt), und die Betriebsspannung war auch nicht zu klein.
> diese ist auch vorhanden, wenn ich alle Widerstände als rauschfrei annehme
Kann man das in (d)einer Rauschsimulation? Vielleicht, wenn man die
Betriebstemperatur auf 0K (-273 °C) legt? Ich verwende einen anderen
Simulator, natürlich auch Spice-basiert, da könnte das klappen. Die
Kondensatoren sind definitiv keine Rauschquelle.
Wenn du - mit einem idealen OPV - alle Widerstände für die Simulation
auf 1/100stel reduzierst und die Kondensatoren 100 x so groß machst,
sollte das Rauschen um 20 dB sinken und der Rest bleibt. Das wäre ein
schneller, aber eigentlich unwichtiger Versuch. Schalte lieber jedem
Widerstand der Reihe nach eine AC-Stromquelle parallel (oder eine
AC-Spannungsquelle in Reihe), Werte proportional bzw. umgekehrt
proportional zum Widerstandswert und bestimme den Frequenzgang. Das wird
ein erster Schritt bei des Rätsels Lösung.
(Schön, dass wir wieder beim Thema sind)
Der Zahn der Zeit (🦷⏳) schrieb:> Aber das ist alles komplett am Thema der Fragestellung vorbei.
Na wenn du meinst...
Ich habe jedenfalls die Simulation mit idealem OPV und NE5532 gemacht.
Der ideale macht nur die dem TO bekannte 1dB Überhöhung bei 24,8kHz, der
NE5532 dagegen macht das was man oben sieht. Bin mal gespannt wie du das
jetzt erklärst.
Ich glaube, das sollte ich nochmals spezifizieren: Mit idealem OPV und
rauschfreien Widerstände (was auch immer das noiseless Attribut von
LT-Spice macht, ist meines Wissens nicht dokumentiert), erhalte ich eine
ähnliche Form der Rauschspannungsdichte. Ich habe ein Bild dazu
angehängt.
Signifikantes Rauschen ist hier nicht mehr vorhanden, die
Rauschverstärkung/Überhöhung jedoch schon. Ist das hinzufügen von
AC-Quellen in diesem Fall dennoch sinnvoll?
avr schrieb:> Die Widerstände haben kein Frequenzverhaltens
Das nicht, aber bei einem Filter ist der Strom durch die Widerstände
frequenzabhängig.
Der Zahn der Zeit (🦷⏳) schrieb:> Wenn du jedes der Elemente als AC-Quelle nimmst und die> Übertragungsfunktion für diese Quelle simulierst (z. B. durch> Parallelschalten einer AC-Stromquelle zu den Widerständen), siehst du,> welches Element dominant beim Rauschen ist.
In LTspice kann man nach der .noise Analyse den Beitrag einzelner
Komponenten zum Gesamtrauschen durch Anklicken anzeigen lassen. In
Deinem Beispiel ist das R4, dessen "Frequenzgang" zeigt (in der
.ac-Analyse) einen Peak bei ca. 35 kHz.
@avr - kommt Dir dieser Wert bekannt vor?
Burkhard K. schrieb:> den Beitrag einzelner Komponenten zum Gesamtrauschen durch Anklicken anzeigen
Das ist ja genial! Jetzt sehe ich auch die Zusammenhänge ein:
Bei niedrigen Frequenzen ist R4 (natürlich) dominant, denn seine
Rauschspannung kann in voller Höhe zu der an C2 addiert werden, während
die anderen beiden Widerstände sich "gegenseitig" so bedämpfen, dass
beide zusammen wie 4k3||4k7, also ~2k2, also viel weniger, rauschen.
Gleichzeitig führt eine an -In über ~5k angelegte Spannung zu einer
Chebycheff-Characteristik mit den ~1 dB Peaking.
Burkhard K. schrieb:> In LTspice kann man nach der .noise Analyse den Beitrag einzelner> Komponenten zum Gesamtrauschen durch Anklicken anzeigen lassen.
Danke, das wusste ich nicht.
Damit steht fest, dass beim Sallen Key hauptsächlich R7 verantwortlich
ist. Allerdings kann ich mir selbst nicht erklären, warum dieser mit 750
so dominant ist. Auch R2 war dominant, aber den konnte ich nochmals
verkleinern.
Meine Grundannahme war, dass bezüglich des Rauschens eine
nicht-invertierende Beschaltung besser abschneiden sollte, wenn die
Verstärkung nahe 1 ist. Aktuell schneidet sie mit Bandbreite bis 100kHz
knapp schlechter ab. Bis 20kHz ist sie besser; da frage ich mich, ob das
Ohr als letzte Bandbegrenzung ausreichend ist.
avr schrieb:> Meine Grundannahme war, dass bezüglich des Rauschens eine> nicht-invertierende Beschaltung besser abschneiden sollte, wenn die> Verstärkung nahe 1 ist
Das Stichwort lautet Noise-Gain. Kennst Du schon diese Seite:
https://e2e.ti.com/blogs_/archives/b/precisionhub/archive/2014/03/24/noise-from-active-filters-an-unwelcome-surprise
?
Bisher hatte ich SK-LPs wegen des effektiven Kurzschlusses bei hohen
Frequenzen als eher unattraktiv verbucht. Offensichlich gibt es noch
andere Aspekte. Wieder was dazu gelernt.
Elliot schrieb:> Elliot schrieb:>> 1. der NE5532 ist für +-2,5V nicht geeignet>> Der TL071 übrigens auch nicht. Datenblatt lesen ist wohl uncool.
Uncool ist auch der TL071 selbst. Hab ihn mit TL072 und TL074 früher
sehr oft eingesetzt.
Aber schon eher cooler ist, ist das LinCMOS-Baby vom TL071, den TLC271.
Und wenn man dazu noch das Datenblatt zum TLC271 und seiner netten und
aufgestellten Familienmitglieder TLC272 und TLC274 liest, ist das sogar
obercool.
Gnade für den TL07x! Für z.B. den Einsatz mit Ub = ±12V, ist auch
dieser, wenn sonst genügend geeignet, cool.
Supercoole Grüsse
am Samichlaus-Tag
Thomas
Burkhard K. schrieb:> https://e2e.ti.com/blogs_/archives/b/precisionhub/archive/2014/03/24/noise-from-active-filters-an-unwelcome-surprise
Ein interessanter Artikel, danke, aber wenn ich mich nicht sehr täusche,
betrifft er nur teilweise das, worum es hier geht. In diesem Artikel
wird ausschließlich das Eingangsspannungsrauschen des OPVs
berücksichtigt. Widerstandsrauschen und Eingangsstromrauschen werden
ignoriert.
Mal als Größenordnung: Ein sehr rauscharmer OPV (AD797, LT1128, INA103)
hat ein Eingangsspannungsrauschen von ca. 1 nV/sqrt(Hz), das entspricht
dem eines 60 Ohm Widerstands. Der NE5532 hat 5 nV/sqrt(Hz), entsprechend
ca. 1,5 kOhm. Also wird beim NE5532 mit Widerstandswerten > 1 kOhm das
Rauschverhalten merklich verschlechtert. Bei noch höheren
Widerstandswerten wirkt sich das Eingangsstromrauschen (0,7 pA/sqrt(Hz)
beim NE5532) noch schlimmer als die anderen beiden Quellen aus.
avr schrieb:> Bis 20kHz ist sie besser; da frage ich mich, ob das> Ohr als letzte Bandbegrenzung ausreichend ist.
Eine ähnliche Frage hattest du eingangs auch gestellt. Zwei Aspekte
dazu, zumindest der erste wird dir auch bewusst sein:
In der Regel gibt es in einer Signalübertragungskette einen
Flaschenhals, der in einem bestimmten Aspekt eine Grenze vorgibt. Das
kann z. B. eine Bandbreite sein, hier reden wir von Rauschen. Als
Beispiel nehme ich mal einen ADC an: Wenn du dir einen guten Audio-ADC
aussuchst, kann der im Bereich bis 20 kHz vielleicht 110 dB
Dynamikbereich haben. Du würdest die Leistung, für die du bezahlt hast,
verschwenden, wenn in der Ansteuerung des ADCs (der Signalkette davor)
irgendein Glied mehr rauscht als der ADC. Umgekehrt, wenn du mit viel
Aufwand das Rauschen der Vorstufen weit unter dem das ADCs hältst, ist
das auch Verschwendung (nennt man auch vergebliche Liebesmühe). Also:
Abwägen.
Das Ohr: Natürlich merkt das Ohr eines Erwachsenen nix mehr von so hohen
Frequenzen. Und Kleinkinder, die vielleicht noch einen winzigen Rest
davon mitbekommen, ähhh - wie soll ich sagen... Oder diejenigen
Audiophilen, die natürlich auch irgendwie 100 kHz wahrnehmen können...
Aber in den Datenblätter steht das, wenn du sie veröffentlichst, oder
wenn Andere dein Gerät messen und wiederum Andere diese Messwerte mit
denen des Geräts deiner Konkurrenz vergleichen. Marketing!
Burkhard K. schrieb:> avr schrieb:>> Meine Grundannahme war, dass bezüglich des Rauschens eine>> nicht-invertierende Beschaltung besser abschneiden sollte, wenn die>> Verstärkung nahe 1 ist>> Das Stichwort lautet Noise-Gain. Kennst Du schon diese Seite:> https://e2e.ti.com/blogs_/archives/b/precisionhub/archive/2014/03/24/noise-from-active-filters-an-unwelcome-surprise
Danke, das erklärt damit auch die Überhöhungen an der Grenzfrequenz.
> Bisher hatte ich SK-LPs wegen des effektiven Kurzschlusses bei hohen> Frequenzen als eher unattraktiv verbucht.
Der DAC hat intern einen analogen Filter. der bei sehr hohen Frequenzen
gut dämpft. Da bin ich noch am Schauen, ob der in Kombination mit dem
Sallen Key Filter ausreicht.
@Der Zahn der Zeit
Erst mal Danke für deine ausführlichen Antworten. Meine Limitierungen
stehen schon fest und liegen bei 85µV Ausgangsrauschen bei 21.5dB
Verstärkung (entspricht Eingangsseitig ~7µV rms). Mit einer Bandbreite
von 25kHz liegt der Sallen Key bei 2.7µVrms und der MFB bei 4.4µVrms.
Beides für mich soweit akzeptabel.
Ich war nicht sicher, ob Rauschen wie andere Störanteile zu betrachten
ist und somit durch Nichtlinearitäten in andere Frequenzbereiche
gemischt werden kann. In diesem Falle wäre es möglicherweise ein
Problem, wenn in dem System keine weitere Bandbegrenzung stattfindet.
SallenKey_vs._MultiFeedback.PNG
(49 KB)
