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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Aktiver Bandpass mit Variabler Verstärkung


Autor: Kai Kiste (lekai)
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Hallo, ich möchte einen einen aktiven Bandpass mit variabler Verstärkung 
aufbauen.

Ich habe ein Rechtecksignal 4kHz mit einen Pegel kleiner 300uV. Dieses 
Signal wird durch einen Instrumenten Verstärker mit vorgeschaltetem 
passiven Bandpassfilter auf einen Pegel im mV Bereich verstärkt.

Dieses Signal will ich nun sehr rauscharm verstärken, so dass ich einen 
Pegel von etwa 1V erreiche. Die Verstärkung muss durch ein Digitalpoti 
variabel sein.

Damit ich rauscharm verstärken kann wollte ich einen aktiven 
Bandpassfilter möglichst 2. Ordnung mit fgu=1kHz fgo=10khz und einer 
variabeln Verstärkung aufbauen.

Die OP-Filterschaltungen mit Einfach und Mehrfachgegenkopplung lassen 
aber keine variable Verstärkung zu.

Hat jemand von euch da einen Tip für mich
vielen dank

: Verschoben durch Moderator
Autor: Andy N. (Gast)
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Mit einem Sallen Key Filter in der ersten, und einem 
Elektromerverstärker in der zweiten Stufe, sollte dein Problem doch 
eigentlich lösbar sein!? Bei der Wahl des OP solltest du eben auf einen 
rauscharmen Typ (und evtl geringem Offsetdrift) achten.

In der zweiten Stufe kannst du dann mit dem besagten Digitalpoti die 
Verstärkung variabel regeln.

mfg

Autor: Kai Kiste (lekai)
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Vielen Dank.

An den Sallen Key Filter hatte ich auch schon gedacht. Hatte nur nach 
einer Schaltung mit Gegenkopplung gesucht da ich davon ausgehe, dass die 
Gegenkopplung bei hohen Frequenzen rauschärmer ist als die Mittkopplung.

Der Elektrometer Verstärker würde ja dann über seinen kompletten 
Frequenzbereich rauschen, daher mein Gedanke Aktiven-Filter und variable 
Verstärkung zu kombinieren.

Liege ich denn da richtig das eine Gegenkopplung rauschärmer als eine 
Mittkopplung ist?

Autor: Jens G. (jensig)
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Wenn es sich nur um ein Ausgangssignal bis 1V handelt, würde ich einfach 
zuerst verstärken, dann filtern. Damit wird alles, was die 
Verstärkerstufe als Rauschen im nichtinteressierenden Frequenzbereich 
mit einbringt, durch die Filterstufe beseitigt. Du brauchst schließlich 
eine Gesamtverstärkung von 3000 (300µV -> 1V), was das Rauschen dieser 
Stufe entsprechend erhöht, und nur durch nachgeschalteten Filter wieder 
reduzieren läßt (im weggefilterten Frequenzbereich).
Gegenkopplung verringert die Gesamtverstärkung, damit auch das 
(Eigen-)Rauschen. Mitkopplung in reiner Form würde zu Eigenerregung 
führen (Oszillator) - ist vielleicht für die Rauschbetrachtungen 
uninteressant. In Kombination mit der Gegenkopplung ergibt sich für 
bestimmte Frequenzen (je nach Filtertyp/Parametrisierung) ein bestimmter 
Grad an Kopplung, was aber letztendlich immer eine Gegenkopplung in 
Summe sein sollte. Somit könnte man sagen, das die erwirkte 
Rauschminderung durch Gegenkopplung teilweise wieder aufgehoben wird 
durch Mitkopplung.

Autor: Andy N. (Gast)
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Die Höhe des Rauschens hängt wohl in erster Line von deinen externen 
Widerständen und deren Größe ab, wenn du einen rauscharmen OP zur 
Verfügung hast.
Ob Mit-o.Gegenkopplung ist ja nicht nur hinsichtlich des Rauschen 
interessant, sondern auch was Eingangsimpedanz und Phasendrehung 
betrifft!

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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Am besten du filterst mit LC-Filter dein Signal. LC-Filter rauschen 
theoretisch nicht. Das Filter selber schaltet man moeglichst am Anfang 
in den Signalweg. Wenn man erst zum Schluss filtert hat man das ganze 
Rauschen schon mit verstaerkt. In jedem Radio kommt zuerst ein 
Schwingkreis erst dann die erste Verstaerkerstufe.

Gruss Helmi

Autor: Kai Kiste (lekai)
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@ Helmi
Der gedanke erst filtern und dann verstärken gefällt mir auch am besten. 
Ein LC Schwingkreis vor der ersten Verstärkerstufen ( also dem 
Instrumentenverstärker ) hatte vom Signal her für mich keine Vorteile, 
da das Signal ja dann sehr schmal Bandig ist und ich so kein Rechteck 
ähnliches Signal übertragen kann. In Bezug auf das Rauschen werde ich 
dies aber nocheinmal testen.

Zur Information: Mit einer Luftspule die ich um einen Leiter lege, 
möchte ich die Stromimpulse (Rechteck) messen die durch den Leiter 
fliessen.

Mir geht es jetzt darum die Signale nach dem Instrumentenverstärker 
rauscharm zuverstärken.
Nach deinem Vorschlag würde ich jetzt einen LC Filter aufbauen dann 
einen invertierenden Verstärker wieder LC Filter und wieder 
invertierender Verstärker.

@ Andy
Die Eingansimpedanz war mir nicht mehr wichtig da durch den Instrumenten 
verstärker der Sensor selber nicht mehr belastet wird.

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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>Nach deinem Vorschlag würde ich jetzt einen LC Filter aufbauen dann
>einen invertierenden Verstärker wieder LC Filter und wieder
>invertierender Verstärker.

Ein Filter vor dem Verstaerker reicht.

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Karl,

wenn dein Signal wirklich so klein ist, wie du sagst, entsteht das 
Rauschen hauptsächlich bereits in der ersten Verstärkerstufe. Später 
dürfte wohl nicht mehr allzuviel dazu kommen. Dies liegt vor allem 
daran, daß sich Rauschen geometrisch addiert: Hast du ein Rauschen von 
1mVeff und es kommt 30% also 300µVeff dazu, erhöht sich das Rauschen nur 
auf rund 1,05mVeff, also nur um 5%.

Oder mit anderen Worten: Was du hinsichtlich Signal-Rausch-Abstand in 
der ersten Verstärkerstufe vergeigst, kannt du auch nicht durch eine 
noch so rauscharme nachfolgende Signalverabeitung wieder gutmachen.

Da Bandpaßfilter ganz von selbst auch ihr eigenes Rauschen begrenzen, 
würde ich mir nicht die Mühe machen ein LC-Filter aufzubauen, sondern 
das mit zwei in Reihe geschalteten, einfachen, aktiven Bandpaßfiltern 2. 
Ordnung versuchen. Irgendwie mußt du ja das 4kHz Signal um den Faktor 
3000 verstärken und da können die Bandpafilter schön ihren Beitrag 
leisten.

Nimmst du den typischen invertierenden Bandpaß 2.Ordnung mit 
Mehrfachrückkopplung (also den Klassiker), wäre beispielsweise ein Q=5 
möglich. Das liefert dir pro Stufe eine Verstärkung von 2 x Q^2 = 50, 
bei zweien also eine Gesamt-Verstärkung von 2500. Die 
Leerlaufverstärkung (Open Loop Gain) des OPamp muß bei 4kHz mindestens 
500 betragen, was auf eine Unity Gain Bandwidth der OPamp von 2MHz 
hinausläuft. Also durchaus machbar für einen TL052, oder ähnlich.

Zwischen den beiden Bandpässen ordnest du dann den Abschwächer mit dem 
Digitalpoti an, mit einer Zusatzverstärkung von Faktor 1,2...2, um auf 
die 3000 zu kommen.

Kai Klaas

Autor: Kai Kiste (lekai)
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Hallo Kai
ja das Signal kann wirklich so klein werden. Bei einem hohen Strom kann 
es aber auch bis 100mV haben. Daher ist die Variante mit 2 Bandpässen 
mit fester Verstärker und einem Abschwächer nicht optimal da der erste 
Bandpass bei einem großen Signal schon übersteuert.

Aber der Hinweis dass ich das in der ersten Verstärkerstufe erzeugtes 
Rauschen später in folgenden Verstärkern nicht mehr gut machen, sondern 
eher weiter verstärken ist gut.

Also ist das erste Rausch produzierende Übel der Instrumentenverstärker 
und vorgeschaltete Bandpassfilter. Dort war meine Idee nun entweder 
einen sehr Rauscharmen Mikrophon Vorverstärker einzusetzen oder eine 
Differenzverstärkerstufe mit Transistoren aufbauen, wobei so eine 
Differenzverstärkerstufe in jedem OP enthalten ist und vermutlich auch 
nicht rausärmer aufzubauen ist.

Der LC Schwingkreis am Eingang bringt in der Simmulation kein größeres 
Signal sollte ja aber rein theoretisch kein thermisches Rauschen haben. 
werde ich mal testen

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Karl,

>ja das Signal kann wirklich so klein werden. Bei einem hohen Strom kann
>es aber auch bis 100mV haben. Daher ist die Variante mit 2 Bandpässen
>mit fester Verstärker und einem Abschwächer nicht optimal da der erste
>Bandpass bei einem großen Signal schon übersteuert.

Also, muß deine variable Verstärkung zwischen 10 und 3000 liegen? 
Schaffst das mit nur einem Digital-Poti?

>Also ist das erste Rausch produzierende Übel der Instrumentenverstärker
>und vorgeschaltete Bandpassfilter. Dort war meine Idee nun entweder
>einen sehr Rauscharmen Mikrophon Vorverstärker einzusetzen oder eine
>Differenzverstärkerstufe mit Transistoren aufbauen, wobei so eine
>Differenzverstärkerstufe in jedem OP enthalten ist und vermutlich auch
>nicht rausärmer aufzubauen ist.

Man unterscheidet hier zwischen nieder- und hochohmigen 
Quellwiderständen: Bei einem niederohmigen Quellwiderstand legst du Wert 
auf möglichst niedriges Spannungsrauschen. Das Stromrauschen muß nicht 
ultra nierdrig sein. Mikrofonverstärker arbeiten so.
Bei hochohmigem Quellwiderstand ist es genau umgekehrt, da legst du Wert 
auf möglichst niedriges Stromrauschen. Das Spannungsrauschen muß dafür 
nicht ultra niedrig sein.

Wie sieht denn deine Quellimpedanz genau aus?

Was ist deine Nutzsignalbandbreite?

>Der LC Schwingkreis am Eingang bringt in der Simmulation kein größeres
>Signal sollte ja aber rein theoretisch kein thermisches Rauschen haben.
>werde ich mal testen

Ein idealer LC-Schwingkreis arbeitet wie ein extrem schmalbandiges 
Bandpaßfilter, dessen Dämpfung aber praktisch gesehen unvorhersagbar ist 
und dessen Resonanzfrequenz immer irgendwie neben deinen 4kHz liegen 
wird. So etwas willst du nicht wirklich haben.

Damit ein LC-Filter vernünfitg arbeitet, mußt du es geeignet dämpfen, 
damit seine Resonanz nicht zu scharf wird und die Dämpfung einigermaßen 
vorhersagbar ist. Dann rauscht dir aber auch dein LC-Filter.

Wie schon gesagt, je nachdem, was die erste Verstärkerstufe schon an 
Rauschen mitbringt, kann das nachfolgende Rauschen eines normalen 
Bandpaßfilters mit Mehrfachrückkopplung völlig unerheblich sein. Du 
wirst dafür mit einem stabilen und reproduzierbaren Verhalten belohnt.

Kai Klaas

Autor: Kai Kiste (lekai)
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Hallo Kai,
das Signal ist im schlimmsten Fall wirklich nur 300uV groß. Für diesen 
Fall brauche ich dann ein sehr hohe Verstärkung, wenn ich da mit einem 
OP und Digitalpoti nicht hinkomme würde ich ein 2. hinzunehmen, das 
hatte ich schon angedacht.

Meinen Eigangsfilter habe ich mal angehängt. Zur Quellimpedanz messung 
habe ich in der Simmulation den Instrumentenverstärker durch 2 
Unterschiedliche Lastwiderstände ersetzt und dann Strom und Spannung 
gemessen, und dann mit dU/dI berechnet. Das ergab für den 
Durchlassbereich 2kHz - 15kHz ca. 4kOhm.

Ist da meine Vorgehensweise richtig?

Meine Nutzsignalbreite ist von habe ich von 2kHz bis 15kHz gewählt, 
damit ich ein Rechteckähnliches Signal erhalte.

vielen Dank für die Hilfe

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Karl,

da deine Quelle aus 178µH und 10R besteht, bleibt die Quellimpedanz 
sogar bei 15kHz noch unter 20 Ohm! Damit könntest du das Signal extrem 
rauscharm verstärken, in dem du einen Verstärker nimmst mit extrem 
kleiner Rauschspannung. Das Stromrauschen darf dann entsprechend größer 
sein.

Aber leider machst du das alles zunichte durch das ebenfalls am Eingang 
sitzende Bandpaßfilter!!! Hier würde ich das Filtern auf das absolut 
Notwenige beschränken, mit möglichst niederohmigen Impedanzen. Es gibt 
überhaupt keinen Grund, das Bandpaßfilter dort anzuordnen. Zuerst mal 
mußt du rauscharm verstärken, filtern kannst du später noch.

Kai Klaas

Autor: Kai Kiste (lekai)
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Hallo Kai,

das werde ich so mal simmulieren. Ein Problem könnte aber dann sein, 
dass auch alle Störungen mit verstärke. Eben dies wollte ich durch den 
Bandpassfilter verhindern.
Größter Rauschproduzent in meinem Filter sind ja die 100k Widerstände 
gegen Masse dort werde ich mal ansetzen.

ich denke mir ist erstmal geholfen, danke

Autor: was_is_mit_du (Gast)
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Hmmm... low noise, variable Verstärkung...
...das schreit doch direkt nach einem current-feedback OPV.

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