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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Verschlechterung des THD durch aktiven Filter


Autor: DerMitDemFilterKämpft (Gast)
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Hallo Freunde der Analogtechnik!

Ich stehe gerade vor dem Problem einen analogen Filter entwerfen zu 
müssen - auf dem Gebiet habe ich praktisch keine Erfahrungen. Nun habe 
ich alles was man mal im Studium gelernt hat zusammengekratzt und bin 
damit offensichtlich kläglich gescheitert, nun suche ich Hilfe:

Es geht darum einer Sinus-Quelle (ca. 95Hz) einen Filter nachzuschalten 
um deren SNR noch zu verbessern, dem ganzen folgt ein ADC. Der Filter, 
der vorher mal keiner war soll gleichzeitig auch noch das Nutzsignal auf 
ca. 1/5 der Amplitude bringen. An dem Aufbau ist nicht zu rütteln, also 
bitte keine Vorschläge dazu auch wenn es sich vielleicht merkwürdig 
anhört.

Im Anhang ist mein Vorschlag dazu. Ein Bandpass 2ter Ordnung und Q=6 und 
ein nachgeschaltener Tiefpass, der so die Theorie, Störungen die 
außerhalb des für den OP machbaren liegen, filtern sollte. In der 
Simulation läuft das auch hervorragend (Sperrdämpfung ist ausreichend 
etc.), nur leider verschlechtert mein Filter das THD ganz enorm 
(insbesondere 2. Oberwelle, 4. Oberwelle etc. sind extrem stark 
vertreten). Im Test lag die 2. Oberwelle bei ca. -100dB mit der nackten 
Quelle, mit Filter bei -50dB.

Jetzt ist die Frage woran liegt das?

Der Operationsverstärker (TI OPA227) sollte das ja eigentlich noch 
schaffen, dachte ich. Habe ich ihn so schlecht beschalten?

Können die suboptimalen Netzteile die ich für den Test genommen habe die 
Ursache dafür sein? Immerhin sind bei Netzfrequenz + Oberwellen kaum 
Störungen sichtbar, wird das dann irgendwie auf die Oberwellen des 
Nutzsignals verteilt?

Das Layout ist mit Sicherheit ziemlich schlecht, allerdings dürfte das 
ja alleine keine neuen Oberwellen einführen, oder irre ich mich da?

Ich würde mich sehr freuen, wenn mir hier jemand weiter helfen könnte!

Autor: Martina (Gast)
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Keramische Highcaps verwendet?

Autor: DerMitDemFilterKämpft (Gast)
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Wenn es um die genauen Daten der Caps geht muss ich leider passen, der 
Prototyp wurde eben gebaut mit "was da ist", Keramik-Caps waren es aber 
definitiv.

Autor: Ulrich (Gast)
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Keramische Kondensatoren mit 4,7 µF oder auch schon 330 nF sind ziemlich 
sicher welche mit starker Nichtlinearität. Das sollten schon 
Folienkondensatoren sein, ggf. auch mit etwa 10 mal höheren 
Widerstandswerten.

Solange die Störungen nicht dem Wertebereich der AD-wandlers zu sehr 
begrenzen, kann man auch einen Digitalen Filter hinter dem AD nutzen.

Autor: DerMitDemFilterKämpft (Gast)
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Okay, das war mir nicht bewusst, vielen Dank! An welchem Parameter 
könnte ich jetzt im Datenblatt erkennen ob es sich um diese 
nichtlinearen Typen handelt? Und gibt es dann Folienkondensatoren in der 
Größenordnung die tatsächlich so linear sind, dass man auch noch bei 
-100dB etwas verbessern kann?

Digitaler Filter leider aus, da im Idealfall der ADC das begrenzende 
Element sein sollte, sonst müsste ich jetzt hier nicht so rumstöpseln. 
;-)

Autor: Martina (Gast)
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>Keramische Kondensatoren mit 4,7 µF oder auch schon 330 nF sind ziemlich
>sicher welche mit starker Nichtlinearität. Das sollten schon
>Folienkondensatoren sein, ggf. auch mit etwa 10 mal höheren
>Widerstandswerten.

Genau!

Erhöhe die Widerstände des Bandpasses um den Faktor 10 und verwende 
470nF Foliencaps. Besorg dir von Reichelt o.ä. 5%-ige MKH oder MKS-2 
Caps. Wenn du ein genaues C-Meter hast, versuche aus einer Handvoll 
dieser Typen ein paar noch genauere Exemplare zu selektieren.

Den Tiefpaß kannst du so lassen.

>Okay, das war mir nicht bewusst, vielen Dank! An welchem Parameter
>könnte ich jetzt im Datenblatt erkennen ob es sich um diese
>nichtlinearen Typen handelt?

Die Kapazitätsabhängigkeit von der angelegten Spannung.

Autor: DerMitDemFilterKämpft (Gast)
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Das werde ich tun, vielen Dank euch!

Habt ihr vielleicht auch noch eine Seite parat, auf der man sich mal 
einen Überblick über die verschiedenen Sorten machen könnte? Ich habe 
jetzt schon ein bisschen im Internet gestöbert, aber bisher nichts 
befriedigendes gefunden.

Schönes Wochenende noch!

Autor: Helmut S. (helmuts)
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Dein Wochenende ist "gerettet". :-)
Google: low thd capacitor

Autor: Martina (Gast)
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Wenn es sehr genau sein muß, solltest du auch an die zeiltiche 
Inkonstanz und den Temperaturgang denken. Heute wird dann gerne PPS in 
solchen Anwendungen als Dielektrikum verwendet.

Autor: DerMitDemFilterKämpft (Gast)
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Das hört sich sehr interessant an, werde ich mir auf jeden Fall mal 
anschauen!

Jetzt aber mal noch eine Frage: wenn ich jetzt die Kapazitäten 
verkleinere, muss ich ja zwangsweise die Widerstände erhöhen - mache ich 
mir dann nicht bald schon wieder etwas mit Temperaturrauschen kaputt?

Ich kann mich noch an diese 4kTBR erinnern, aber wie wäre denn in meinem 
Fall die Bandbreite? Nur das kleine Stück innerhalb der 3dB Frequenzen?

Autor: Ulrich (Gast)
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Die Bandbreite in der Rauschformel ist Teil des Systems das das Rauschen 
misst. Gemessen wird ja in der Regel die Rauschdichte. Je nach Position 
des rauschenden Widerstandes ist da noch ein Teil des Filters zwischen. 
Wenn es sein muss, dann auch die Widerstände so klein lassen, und mit 
den großen Kondensatoren leben. 4,7 µF sind ja auch noch nicht unmöglich 
groß.

Wie gut oder schlecht die Keramikkondensatoren sind, sind man an der 
Bezeichnung (für das Matrial). Die Typen aus NPO, COG oder ähnlichem 
sind von der Qualität sehr gut, aber halt in der Regel nur als Kleine 
Kapazitäte bis vielleicht 10 nF zu bekommen. Die Typen mit X5R und 
ähnliche sind fast nur als Kondensator an der Versorgungsspannung zu 
gebrauchen.

Autor: Martina (Gast)
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>Jetzt aber mal noch eine Frage: wenn ich jetzt die Kapazitäten
>verkleinere, muss ich ja zwangsweise die Widerstände erhöhen - mache ich
>mir dann nicht bald schon wieder etwas mit Temperaturrauschen kaputt?

Kommt drauf an, wie groß dein Signal ist.

>Ich kann mich noch an diese 4kTBR erinnern, aber wie wäre denn in meinem
>Fall die Bandbreite? Nur das kleine Stück innerhalb der 3dB Frequenzen?

Ja, so ungefähr. Man kann das übrigens schön simulieren, indem man in 
Serie zu den Widerständen kleine Rauschspannungsquellen annimmt, die das 
thermische Rauschen der Widerstände modellieren. Du siehst dann leicht, 
wie sich das frequenzmäßig auswirkt.

Die Eingangsrauschspannungsquelle des OPamps plazierst du zwischen "+" 
Eingang und Masse und das Eingangsstromrauschen des OPamp simulerst du 
mit einer Stromquelle von Masse zum "-" Eingang des OPamps.

Damit siehst du recht schnell, wie sich die Rauschquellen frequenzmäßig 
auswirken und welche Anteile dominieren.

Autor: Martina (Gast)
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>Die Typen mit X5R und ähnliche sind fast nur als Kondensator an der 
>Versorgungsspannung zu gebrauchen.

Oder auch in Tiefpaßfiltern im Signalweg von Quasi-DC-Anwendungen, wobei 
die genau Lage der Grenzfrequenz bzw. die genaue Einschwingzeit 
unwichtig sind.

Autor: DerMitDemFilterKämpft (Gast)
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Hi,

ich habe jetzt noch einmal ein wenig recherchiert und simuliert, und bin 
jetzt der Überzeugung das sich wohl Folienkondensatoren mit Polypropylen 
als Dielektrikum am besten eignen würden. PPS Typen habe ich leider nur 
bis 220nF gefunden, das wäre wohl etwas zu wenig.

Bevor ich mir jetzt so einen Klunker bestelle:

http://www.reichelt.de/?ACTION=3;GROUP=B321;GROUPI...

ist der wirklich für solche Filteranwendungen geeignet? Das sieht nun 
wirklich nicht mehr nach graziler Elektronik aus, und macht mich ein 
bisschen nervös. ;-)

Autor: Martina (Gast)
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>Bevor ich mir jetzt so einen Klunker bestelle:
>
>http://www.reichelt.de/?ACTION=3;GROUP=B321;GROUPI...
>
>ist der wirklich für solche Filteranwendungen geeignet?

Erste Sahne! Der MKP10 war mal ein Geheimtipp bei Aktivboxenbauern.

Aber warum machst du die Schaltung nicht höherohmig? Dann kannst du auch 
deine 220nF PPS-Caps einsetzen. Die sind wirklich noch einen Tick 
besser!

Autor: Ulrich (Gast)
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Solange keine super geringe Temperaturabhängigkeit gefordert ist sollten 
auch die normalen Polyester (MKS) Kondensatoren gehen. Die haben zwar 
etwas höhere dielektrische Verluste, aber das gibt erstmal nur eine 
minimale (weniger als die typischen Toleranzen der Widerstände / 
Kondensatoren) Verschiebung der Filterfrequenz und Güte. Nichlinear wird 
es dadurch noch nicht.

Autor: Martina (Gast)
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>Solange keine super geringe Temperaturabhängigkeit gefordert ist sollten
>auch die normalen Polyester (MKS) Kondensatoren gehen.

Ich würde MKP10 wegen der besseren zeitlichen Inkonstanz nehmen:

http://www.wima.de/DE/stability.htm

PPS ist hier zwar nicht aufgelistet, ist aber, meiner Erinnerung nach, 
vergleichbar mit der von Polypropylen. Von besonderem Vorteil ist der 
niedrigere Temperaturgang von PPS gegenüber Polypropylen.

Autor: DerMitDemFilterKämpft (Gast)
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> Aber warum machst du die Schaltung nicht höherohmig? Dann kannst du auch
> deine 220nF PPS-Caps einsetzen. Die sind wirklich noch einen Tick
> besser!

In erster Linie deshalb, weil ich an die schneller bekomme. Ich überlege 
aber die PPS in einer späteren Version einzusetzen.

Im Bild ist das Ergebnis der Noise-Simulation von TINA zu sehen. Ich 
weiß nicht ob du damit schon einmal gearbeitet hast, ich vermute 
(vielleicht weiß da jemand mehr?) mit dem Total-Noise wird das Integral 
über das ganze Rauschen sein bis zu der Frequenz die unten aufgetragen 
ist.

Wenn das stimmt, dann wäre das thermische Rauschen schon etwas zu groß 
für meinen Geschmack. Dabei habe ich den Filter schon etwas umgebaut, so 
das die Spannung erst direkt vor dem Tiefpass geteilt wird, deshalb auch 
diese starke Verbesserung nach der 1st Stage.

Ich werd mir aber wohl nochmal eine Lösung mit mehr Stufen durch den 
Kopf gehen lassen.

Autor: Martina (Gast)
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Wie groß ist denn dein Signal und welchen Rauschabstand strebst du an?

Autor: DerMitDemFilterKämpft (Gast)
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> Solange keine super geringe Temperaturabhängigkeit gefordert ist sollten
> auch die normalen Polyester (MKS) Kondensatoren gehen.

Die Temperaturstabilität könnte tatsächlich mal eine Rolle spielen, 
deshalb würde ich die MKP vorziehen. Wie es aussieht haben die MKP ja 
auch sonst nur Vorzüge und da die Stückzahl so niedrig ist spielt der 
Preisunterschied keine Rolle. Trotzdem Danke für den Hinweis!

Autor: DerMitDemFilterKämpft (Gast)
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> Wie groß ist denn dein Signal und welchen Rauschabstand strebst du an?

Das Signal dürfte ca. 1Vpp => 0dB haben und wenn möglich wären 120dB 
Rauschabstand gefordert. Ich hätte daher gern das thermische Rauschen 
unter -130dB gehalten.

Autor: Martina (Gast)
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>Das Signal dürfte ca. 1Vpp => 0dB haben und wenn möglich wären 120dB
>Rauschabstand gefordert. Ich hätte daher gern das thermische Rauschen
>unter -130dB gehalten.

120dB?? Was ist denn das für eine Anwendung?

Autor: DerMitDemFilterKämpft (Gast)
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Es ist schon eine sehr spezielle Anwendung - ich möchte hier nicht alles 
ausplaudern, sorry - aber ich bin mir der Höhe durchaus bewusst.

Autor: Ulrich (Gast)
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Je nach Art der Störungen die auf dem Signal drauf sind, wäre eventuell 
eine andere Filterart sinnvoll. Also z.B. lieber ein Bandpass 4 ter 
Ordnung und dafür mit weniger Filtergüte. Als Sallen Key Form hat man da 
keinen Teiler am Eingang. Bei hoher Filtergüte hat man auch einen 
relativ starken Temperatureinfluss.

Die höhere Filterordnung wäre auch gegen 1/f Rauschen der Signalquelle 
effektiver.

Autor: DerMitDemFilterKämpft (Gast)
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Ulrich schrieb:
> Je nach Art der Störungen die auf dem Signal drauf sind, wäre eventuell
> eine andere Filterart sinnvoll. Also z.B. lieber ein Bandpass 4 ter
> Ordnung und dafür mit weniger Filtergüte. Als Sallen Key Form hat man da
> keinen Teiler am Eingang. Bei hoher Filtergüte hat man auch einen
> relativ starken Temperatureinfluss.
>
> Die höhere Filterordnung wäre auch gegen 1/f Rauschen der Signalquelle
> effektiver.

Damit bin ich auch gerade am experementieren, Danke.

Inzwischen habe ich bei Bürklin auch noch Keramik-Kondensatoren (C0G) 
bis zu 220nF gefunden, ich denke denen werde ich dann mal den Vorzug vor 
PPS geben da die deutlich kleiner sind (SMD 1210!).

Autor: Martina (Gast)
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>Inzwischen habe ich bei Bürklin auch noch Keramik-Kondensatoren (C0G)
>bis zu 220nF gefunden, ich denke denen werde ich dann mal den Vorzug vor
>PPS geben da die deutlich kleiner sind (SMD 1210!).

+/-5% sind aber vielleicht schon zu viel Toleranz.

>Das Signal dürfte ca. 1Vpp => 0dB haben.

Könntest du es noch rauscharm verstärken, bevor es in das Filter geht?

Autor: Martina (Gast)
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Der LT1037 ist übrigens noch einen Tick rauschärmer als der OPA227!

Autor: Michael O. (mischu)
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120dB sind schon eine knackige Anforderung!

Mit den Widerstandswerten darfst Du nicht beliebig hochgehen, sonst 
dominiert das thermische Rauschen und du kannst dir den guten OPAMP 
sparen:
http://www.beis.de/Elektronik/Nomograms/R-Noise/Re...
60 Ohm entsprechen 1nV/sqrt(Hz).

Martina schrieb:
> Der LT1037 ist übrigens noch einen Tick rauschärmer als der OPA227!
Der hier ist noch besser:
http://www.linear.com/product/LT1028

Probier doch mal den OPAMP als reinen Tiefpass aus. Sollte das zu 
schlecht sein, ist das auch ein Hinweis :)

Autor: DerMitDemFilterKämpft (Gast)
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> +/-5% sind aber vielleicht schon zu viel Toleranz.

Ich werde wohl etwas mehr bestellen und dann aussortieren. Den Wert 
ändern sie dann ja nicht mehr nennenswert - oder habe ich etwas 
übersehen?

> Könntest du es noch rauscharm verstärken, bevor es in das Filter geht?

Wird schon gemacht, am Ende soll eben 1Vpp rauskommen, das habe ich 
vielleicht ungünstig ausgedrückt. Deshalb hat der Filter auch so eine 
Grunddämpfung, das war wohl eine eher schlechte Idee, inzwischen schicke 
ich das Signal erst durch den Filter und dämpfe es anschließend.

Mir ist heute noch aufgefallen, dass ja die gewöhnlichen Widerstände 
nicht viel besser sein sollen! Meine ganze heile Analog-Welt bricht 
gerade zusammen... ;-)

Habt ihr da vielleicht auch irgendwelche Tipps? Reicht es wenn man die 
Spannungsauslegung für die Widerstände nach oben schraubt, oder muss ich 
da wieder an etwas größeres denken? In den Datenblättern wird das Thema 
leider so gut wie nie erwähnt, habe ich das Gefühl.

Danke für die Hinweise mit den OPs, werd ich mir anschauen! Allerdings 
hab ich das Gefühl das die Widerstände wohl das meiste an Rauschen 
zusteuern werden, nachdem da jetzt viele im XXkOhm Bereich liegen...

Autor: Ulrich (Gast)
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Die Schaltung ganz oben hat schon mal das Problem, dass die Spannung vom 
Eingang über den relativ hohen Widerstand (11 K) an den niederohmigen 
Knoten mit 30 Ohm gegen GND geht. Geht einfach schon viel des Signals 
verloren.  Schon vom Prinzip ist ein Filter mit viel Resonanzüberhöhung 
(Güte) problematisch, weil der empfindlich von den Kapazitäten und 
Widerstandswerten abhängt. Ohne zu wissen, was für Störungen auf dem 
Signal sind, ist es aber schwer zu sagen was für ein Filter besser ist.

Bei den Widerständen sollte man Kohle-Typen vermeiden. Metallfilm sollte 
schon ausreichen - so viel besser geht es vom Rauschen nicht. Sonst ist 
einfach der Widerstandswert entscheidend. Für die hohe Dynamik kommt man 
ggf. nicht um eine niederohmige Auslegung und damit große Kondensatoren 
herum. Die Auslegungsspannung der Widerstände macht keine merklichen 
Unterschied.  Was man noch vermeiden sollte ist ein unnötig hoher 
Gleichstrom durch die Widerstände - das ergibt sich bei einer 
symmetrischen Versorgung aber oft sowieso.

Wie viel die einzelnen Bauteile zum Rauschen am Ausgang beitragen kann 
man sich oft bei der Simulation anzeigen lassen (geht jedenfalls bei 
LTCad), das kann Spice berechnen.

Autor: Martina (Gast)
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>Ich werde wohl etwas mehr bestellen und dann aussortieren. Den Wert
>ändern sie dann ja nicht mehr nennenswert - oder habe ich etwas
>übersehen?

Selektieren ist natürlich eine Option. Schau, daß du einen guten 
Cap-Meter bekommst, der dir stabile und genaue Werte anzeigt. Wenn das 
Teil mit Kabeln arbeitet, die zu checkenden Caps dicht nebeneinander 
legen und die Kabel beim Messen der Caps immer genau gleich halten. Bei 
größeren Kapazitäten ist das natürlich weniger ein Thema als bei 
kleinen.

Ansonsten gibt es noch die Lötwärmebelastung, die die Kapazität noch 
etwas ändern kann. Aber das ist eher bei den 
Kunststofffolienkondensatoren ein Thema.

Achtung: Den 1210 solltest du nicht ohne Pre-Heating löten, wenn du es 
von Hand machst. Bei normalem Reflow-Löten natürlich kein Thema.

>Mir ist heute noch aufgefallen, dass ja die gewöhnlichen Widerstände
>nicht viel besser sein sollen! Meine ganze heile Analog-Welt bricht
>gerade zusammen... ;-)

Metallfilm-Widerstände sind, zumindest im Vergleich zu den 
Unlinearitäten und Unbilden von Kapazitäten, über jeden Zweifel erhaben. 
Wenn du die Belastung so auslegst, daß die Oberflächentemperatur 
deutlich unter 40°bleibt, altern gute Metallfilmwiderstände praktisch 
nicht. Die genauesten und driftärmsten Metallfilmwiderstände sind die im 
Bereich zwischen 1k und 100kOhm. Jedenfalls war das mal so, als ich das 
vor vielen Jahren mal analysiert habe. Heute gibt es ja 0,1%-ige 
Widerstände mit 25ppm/°C an jeder Ecke...

>Allerdings hab ich das Gefühl das die Widerstände wohl das meiste an >Rauschen 
zusteuern werden, nachdem da jetzt viele im XXkOhm Bereich >liegen...

Rechne einfach mal verschiedene Topologien durch. Und wenn nur eine 
niederohmige Schaltung am Ende als Kandidat übrig bleibt, dann schaltest 
du eben ein paar von den Caps parallel, um auf die dann nötige größere 
Kapazität zu kommen.

Autor: DerMitDemFilterKämpft (Gast)
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Ulrich schrieb:
> Wie viel die einzelnen Bauteile zum Rauschen am Ausgang beitragen kann
> man sich oft bei der Simulation anzeigen lassen (geht jedenfalls bei
> LTCad), das kann Spice berechnen.

Hi,

ich dachte ich hätte die Sache mit dem Rauschen verstanden gehabt, aber 
gerade bin ich wieder total verwirrt:

Wenn ich in LTSpice oder mit TINA die Noise-Simulation mache, muss ich 
ja jeweils eine Start- und eine Endfrequenz angeben. Woher bekomme ich 
die? Insbesondere die Startfrequenz?

Ich habe jetzt ein paar Versuche gemacht und umso weiter ich runter gehe 
desto größer wird die Rausschspannung. Wenn ich in LTSpice auf die den 
Namen des Ausgangs drücke + STRG, gibt das ja das Integral von dem 
ganzen Rauschen aus (= V_noiseRMS) - ist das SNR dann tatsächlich: 
20*log(V_signalRMS / V_noiseRMS)?

Die obere Frequenz ist ja wahrscheinlich durch die Abtastfrequenz meines 
ADCs gegeben.

Irgendwie kommen mir nämlich gerade alle Ergebnisse etwas spanisch vor. 
:/ Wenn ihr irgendwelche interessanten Links dafür habt, besonders für 
TINA, nur her damit! Ich finde leider garnichts.....

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