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
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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
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?
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.
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!
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
@ 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.
>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.
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
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
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
Angehängte Dateien:
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Filter.jpg
61 KB
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
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
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
Hmmm... low noise, variable Verstärkung... ...das schreit doch direkt nach einem current-feedback OPV.
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