Hallo liebe Gemeinde,
Ich habe die erste Stufe eines Instrumentenverstaerkers, also die
Differenzverstaerkerstufe, diskret mit zwei AD8638 OPamps aufgebaut
(siehe Anhang). Ich habe nun das Problem, dasz die Schaltung auch bei
kurzgeschloszenem Eingang recht stark rauscht, deutlich mehr als ich
gemaesz dem Datenblatt dieser OPamps erwarten wuerde. Es ergeben sich
folgende Werte :
R_FB=22K, R_G=270 -> A=164, mit Dickschichtwiderst. : U_noise ~= 7mV RMS
R_FB=22K, R_G=270 -> A=164, mit Metallfilmwiderst. : U_noise ~= 7mV RMS
R_FB=3K3, R_G=68 -> A=98, mit Metallfilmwiderst. : U_noise ~= 5mV RMS
Die Bandbreite dieser Schaltung betraegt ca. 10KHz, begrenz durch die
OPamps. Wenn ich sie auf 6KHz begrenze, indem ich parallel zu jedem R_FB
einen Kondensator mit 8nF (C0G) loete, dann erhalte ich mit R_FB=3K3,
R_G=68 -> A=98 ca. 2-3mV RMS.
Ich habe die gleiche Schaltung, mit nahezu identischem Layout (AD8638
sind SOIC-8, OP177 sind PDIP) auch mit OP177's aufgebaut und erhalte
dort mit
R_FB=22K, R_G=270 -> A=164, mit Metallfilmwiderst. : U_noise ~= 1mV RMS
Hier noch meine Gedanken zu dem Ganzen :
Der AD8638 hat ca. 60nV/WRZL(Hz) und das ist auch ziemlich konstant, vor
allem zu tiefen Frequenzen hin. Ich sollte also alleine dadurch bei
A=100 ca. 600µV RMS an Rauschen erhalten (60nV * WRZL(10000)*A),
entsprechend ca. 1mV bei A=164.
Zunaechst, mit den Dickschichtwiderstaenden, hatte ich die im Verdacht,
da ich keine Angaben zu deren Rauschen hatte und vermutete dasz sie
evtl. viel staerker rauschen als ein idealer Widerstand. Leider hat sich
durch den Einsatz von Metallfilmwiderstaenden nichts geaendert. Dann
hatte ich das Stromrauschen des AD8638 im Verdacht, da dieses nicht
spezifiziert ist. Traditionell sollte es bei OPamps mit JFET-Eingaengen
aber extrem niedrig sein. Dennoch habe ich eine niederohmigere
Beschaltung getestet aber der Rueckgang des Rauschens ist nur
proportional zur ebenfalls geringeren Verstaerkung dieser Konfig (A=98
im Gegensatz zu 164 zuvor). Es scheint sich also um Spannungsrauschen zu
handeln. Die Bandbreitenbegrenzung auf 6KHz brachte den groeszten
Erfolg, aber das Rauschen ist immernoch zu stark.
Was mich jetzt wundert ist, dasz die gleiche Schaltung mit dem OP177F
aufgebaut so deutlich weniger rauscht, selbst in der nicht
Bandbreitenbegrenzten, hochohmigen Version.
Auch die OP177-Schaltung rauscht mehr als man rein von der
Rauschspannungsdichte her erwarten wuerde (rechnerisch 184µV@BW=10KHz).
Das habe ich bislang noch nicht untersucht, troeste mich jedoch mit dem
Stromrauschen, dem Rauschen der hochohmigen Widerstaende und der
Tatsache, dasz ich bei unter 1mV so langsam an die Grenzen meiner
Mesztechnik komme (100µV werde ich wohl gerade noch so erkennen
koennen).
Hat jemand eine Erklaerung dafuer ? Habe ich falsch gerechnet bzgl. des
Erwartungswertes der Rauschspannung ?
Hat jemand selbst Erfahrung mit dem AD8638 und weisz evtl. etwas an das
ich nicht gedacht habe ?
Ich hoffe ich bekomme einige konstruktive Anregungen.
Gruesze
Dieter_G
Das Rauschen des AD8638 steigt bei höheren Frequenzen laut Datenblatt
teilweise über 300nV/Wurzel(Hz). Als Bandbreite kannst du deswegen auch
nicht 10kHz annehmen. Weil sich das Rauschen beider OPVs addiert kommt
außerdem noch der Faktor Wurzel(2) hinzu.
Wie misst du eigentlich das Rauschen? Besitzt dein Messgerät die nötige
Bandbreite? Ok, das würde höchstens zu einem zu kleinen Wert führen.
Wie misst das Messgerät intern? Ist es ein TRMS oder nur ein einfachen
RMS Messgerät auf Basis eines Spitzenwertgleichrichters?
Des weiteren steht in den Datenblättern nichts über das maximale
Rauschen. Vielleicht hast du welche mit höheren Rauschen erwischt, so
wie ich neulich bei zwei LT1028. Das würde zwar nicht den siebenfachen
Wert erklären, aber es könnte ein zusätzlicher Fehler sein.
Hast du mal versucht, die OPVs einzeln in einer Testschaltung zu
spezifizieren? Also z.B. Eingang kurzschließen und mit 10 Ohm und 1kOhm
das Eigenrauschen bestimmen. Vielleicht gibt es ja da schon
Auffälligkeiten.
LG Christian
>Zunaechst, mit den Dickschichtwiderstaenden, hatte ich die im Verdacht,>da ich keine Angaben zu deren Rauschen hatte und vermutete dasz sie>evtl. viel staerker rauschen als ein idealer Widerstand.
Dickschichtwiderstände kannst du hier völlig vergessen.
>Was mich jetzt wundert ist, dasz die gleiche Schaltung mit dem OP177F>aufgebaut so deutlich weniger rauscht,
Hast du Seite 14 vom Datenblatt durchgelesen? Den Teil mit der Clock
Frequency?? Hat der OP177 so etwas?? Was meinst du wie der AD8636 das
"Auto Zero" hinbekommt? Der enthält eine Art Chopper und die erzeugen
massive Störungen...
Hallo,
@ralf
ralf schrieb:> Das Rauschen des AD8638 steigt bei höheren Frequenzen laut Datenblatt> teilweise über 300nV/Wurzel(Hz). Als Bandbreite kannst du deswegen auch> nicht 10kHz annehmen. Weil sich das Rauschen beider OPVs addiert kommt> außerdem noch der Faktor Wurzel(2) hinzu.
wg. Rauschen bis 300nV/WRZL(Hz) :
Es stimmt, dasz das Rauschen bei so 2-3KHz ansteigt. die 300nV jedoch
sind duenne Peaks, ich denke dasz so 100nV im Bereich 3-10KHz der
mittlere Wert ist. Darum vermutlich bringt die Bandbreitenbegrenzung
auch ordentlich was.
Aber es stimmt, eigentlich ist es Bloedsinn von mir mit 60nV zu rechnen,
da der groeszte Bandbreitenbereich eigentlich der von 1KHz-10KHz ist
(9KHz Bandbreite) und es dort eher so 90-100nV sind. Und dann noch die
Wurzel (2)...
das waeren dann also : U_inputNoise = Wrzl(2 * 10000) * 90[nV/Wrzl(Hz)]
= 12.7µV
Bei A=98 ergaebe sich U_outputNoise = 1.24mV
Bei A=164 erbaebe sich U_outputNoise = 2.09mV
Hmmm, dadurch bin ich der Realitaet schonmal deutlich naeher was meine
Erwartungshaltung angeht.
Aber was du genau mit "Als Bandbreite kannst du deswegen auch
nicht 10kHz annehmen." meinst, verstehe ich nicht.
@Christian L.
Das stimmt natuerlich auch, die haben ja nur den typischen Wert
angegeben ! Und das kann fuer den max.-Wert ja nicht Gutes bedeuten.
Evtl. gibt es hier eine riesen Streuung.
Das mit der isolierten Testschaltung werde ich evtl. noch machen, das
ist auf jeden Fall interessant (habe den Verstaerker aber innerlich
schon so gut wie aufgegeben, deshalb kann ich mir vielleicht die Zeit
dafuer vielleicht nicht nehmen).
Zur Messung:
Ich benutze ein hochentwickeltes bionisches Geraet zur ortsaufgeloesten
Intensitaetsmessung elektromagnetischer Strahlung im
Wellenlaengenbereich von 400-700nm mit einem Dynamikumfang von
unglaublichen 140dB !
Also mein Auge, in Kombination mit einem ordinaeren Speicheroszi. Das
kann bis 2mV/DIV runter und wenn man die Schaltung auf ein groeszeres
Blech legt, das fest mit der Masze des Oszis verbunden ist, dann ist der
"Noise-Floor" der Anordnung zumindest so gering, dasz man ihn kaum von
der natuerlichen Dicke der Linie (Roehrengeraet) unterscheiden kann.
Also die RMS-Werte sind geschaetzt, daher habe ich auch immer ca.
dazugeschrieben.
@Rauschi
ja, die Dickschichtteile habe ich ja deshalb ersetzt, von denen hab ich
halt ein Sortiment, daher waren die zuerst drin. Aber du glaubst
garnicht wie enttaeuscht ich war, als ich die Metallfilm reingeloetet
hab und nichts hat sich veraendert :(
Also das mit dem Chopper- und Autozerotakt ist auch interessant. Ich
hatte die Passage zwar schonmal gelesen, aber so richtig Bewuszt war sie
mir nicht mehr, danke fuer den Hinweis.
Hmmm, die beruhigen einem da aber ziemlich was das angeht und behaupten
sogar :
"In systems with signal bandwidths ranging from 5 kHz to 10 kHz, the
AD8638/AD8639 provide true 16-bit accuracy, making this device the best
choice for very high resolution systems."
also 1/65535 FS, davon bin ich weit weg :D. Das wuerde ich auch so nicht
erwarten.
@All
Aber aus der Kombination eurer Hinweise ergibt sich ein recht gutes
Bild. Zum einen habe ich mit zu geringen Werten gerechnet was den
Erwartungswert des Rauschens angeht.
Dann habe ich ignoriert, dasz ich evtl. ein bischen Pech gehabt haben
koennte mit den OPamps die ich erwischt habe und zudem der zusaetzliche
Krach der vom den autoZero-ing + chopping kommt (der macht ja irgendwie
beides, steht drin). Noch dazu habe ich ja nur ein -6dB/Oct-Filter, wenn
ich die Kondis ueber die Feedbackwiderstaende mache. Ich sollte wohl
(zusaetzlich) mit einem steileren Filter hinter dem Ausgang arbeiten.
Also alles in allem wohl die Summer vieler kleiner Fehler. Gut moeglich,
dasz es nur das ist/war.
Rauschi schrieb:> Wie groß ist denn R_1?? Schalt mal zum unteren einen Cap parallel.>> Wie hast du denn die Rauschwerte bestimmt?
frueher war die Messbruecke, also der Drucksensor "R_1" (effektiv ein
paar KOhm, genau weisz ich es im Moment nicht, die Brueckenwiderstaende
selbst haben 4K, aber es gibt noch jeweils einen Serienwiderstand
unbekannter groesze gegen Masse und V+).
Inzwischen habe ich "echte" 22KOhm-Widerstaende eingeloetet (lagen
gerade rum). Daran habe ich aber auch schon mal kurz gedacht, aber da
deren Rauschen ja common-mode waere habe ich es fuer unwahrscheinlich
eingestuft.
Koennte ich aber auchmal testen, das mit dem Kondi.
ja so ca. Spitze Spitze zu schaetzen ist halt nicht so einfach, da ich
ja viele Amplituden habe. Ich lasse die Nadelfoermigen Ausreiszer weg
und setze den Peak-Wert da an, wo so der "Hauptkoerper" des Rauschens,
der also wie ein massiver breiter Strich wirkt, endet. Habe leider
gerade kein Oszibild zur Verfuegung.
>ja so ca. Spitze Spitze zu schaetzen ist halt nicht so einfach, da ich>ja viele Amplituden habe.
Du nimmst einfach die größten Ausreißer für den Spitze-Spitze-Wert.
Genau genommen, die, die in nur 0,1% des Beobachtungszeitraums noch
überschritten werden. Diesen spitze-Spitze-Wert teilst du dann durch
6,6.
Das ist garnicht so schwierig, es geht ja hier nur um einen Schätzwert.
Im Anhang siehst du ein Beispiel: Hier ist der Spitze-Spitze-Wert rund
1µVss, macht rund 0,15µVeff.
Achso !
du hattest ja gesagt "durch 6.6" und nicht "mal 0.66". Letzteres hatte
ich aus irgend einem Grund beim Lesen deines Postings "gelesen". Also
wenn das stimmt, dann hat sich alles erledigt, denn dann habe ich viel
zu hohe Werte angegeben. Aber es wundert mich etwas : haette man einen
reinen Sinus, dann waere der RMS-Wert ja V_peak/WRZL(2). Davon bin ich
bei meinen Schaetzungen ausgegangen. Warum also wird durch so einen
hohen Wert geteilt ?
Dieter_G schrieb:> Aber es wundert mich etwas : haette man einen> reinen Sinus, dann waere der RMS-Wert ja V_peak/WRZL(2). Davon bin ich> bei meinen Schaetzungen ausgegangen. Warum also wird durch so einen> hohen Wert geteilt ?
Die Wurzel 2 gelten eben nur bei einem reinen Sinus. Das Rauschen wird
durch eine statistische Verteilung beschrieben. Der Effektivwert ergibt
sich also aus der Verteilung des Rauschens.
Ein paar Grundlagen zum Rauschen gibt es z.B. von Hameg: (vor allem
Seite 5 ff durfte für dich interessant sein.)
http://www.hameg.com/downloads/fachartikel/HAMEG_Rauschen.pdf
LG Christian
Ah jetzt verstehe ich es schon besser. Auch bei genauerem Betrachten des
Rauschens von der Datenblattseite sieht man, dasz WRZL(2) nicht
hinkommen kann. Das PDF ist ganz gut (fuer einen Rausch-Anfaenger).
Danke dir.
Den Mathematischen Hintergrund musz ich noch mehr beleuchten, das sehe
ich schon. Da bin ich nur meistens zu faul dazu :/
Aber jetzt ist mir schon klar, dasz der Faktor 6.66 fuer Amplituden die
in mehr als 0.1% des Zeitraumes vorhanden sind, sich eben aus der
Wahrscheinlichkeitsverteilung der Amplituden ergibt.
>Den Mathematischen Hintergrund musz ich noch mehr beleuchten, das sehe>ich schon.
Naja, es ist ja auch nicht immer Gaußsches Rauschen. Das mit dem "durch
6,6 teilen" ist einfach ein Daumenwert, mehr nicht. Will man es genauer
haben, muß man den Effektivwert explizit messen bzw. berechnen.
ok, vielen Dank nochmal euch allen.
Falls noch jemand auf Anhieb einen OpAmp mit geringem Offset-Drift
(<200nV/°C) und geringem Rauschen (<60nV/WRZL(Hz) im Kopf hat, kann er
die Bezeichnung mal posten.
Aber wie gesagt, natuerlich soll hier keiner meine Arbeit machen und
danach suchen, nur wenn einer einen auswendig weisz.
Gruesze
Dieter_G
OP270
OP184 OP284 OP484
AD797AD8574
OP1177 OP2177 OP4177
AD8675LTC1250LTC2050HV
LTC1151
...
Da gibt es noch so viele andere. Einige von den aufgelisteten haben
200nV/°C. Die meisten der genannten erreichen mit ihren typ-Werten die
Anforderungen, nicht aber mit ihren max-Werten.
Ich weis nicht, wie viel Eingangsoffset der OP haben darf. Falls er
wenige zehn µV betragen darf brauchst du wahrscheinlich nicht einmal
einen Chopper oder Zero-Drift OP. Dann wäre z.B. der AD797 sehr
interessant für dich (0,9nV/sqrt(Hz), 25µV Offset, 200nV/°C). Den Offset
könnte man mit einem externen Poti abgleichen.
LG Christian
>Ich benutze ein hochentwickeltes bionisches Geraet zur ortsaufgeloesten>Intensitaetsmessung elektromagnetischer Strahlung im>Wellenlaengenbereich von 400-700nm mit einem Dynamikumfang von>unglaublichen 140dB !
Hhm, mißt das DC??
Hallo,
> Ich habe nun das Problem, dasz die Schaltung auch bei> kurzgeschloszenem Eingang recht stark rauscht, deutlich mehr als ich> gemaesz dem Datenblatt dieser OPamps erwarten wuerde. Es ergeben sich> folgende Werte :
da Du nichts von der verwendeten Spannungsversorgung gesagt hast, will
ich dort einhaken:
- Verwendest Du einen Linearregler oder hängt die Spannungsversorgung
direkt am Labornetzteil?
- Welche Entstörkondensatoren verwendest Du für die Gleichspannung.
(Ich habe schon zu viele Leute gesehen, die meinten, sie könnten die
Entstörkondensatoren einsparen und sich dann gewundert haben.)
Gruß,
Michael
@ Michael Lenz
Hallo,
nene, ich benutze einen 9V-Block. Mein Labornetzteil ist ein SMPS, das
geht garnicht, das habe ich schon gemerkt. Mann kann es allerdings
deutlich zaehmen, indem man je eine 100µH Stabferritkerndrossel (zur
Funkentstoerung, also ne UKW-Drossel) in jede Leitung haengt. Aber fuer
diese Zwecke ist es immernoch zu schlecht.
Der 9V-Block ist mit kurzer Leitung mit der Schaltung verbunden und
steht ebenfalls auf dem Blech (auf dem die ganze Schaltung liegt und das
mit Oszi-Masse verbunden ist, siehe ggf. oben). Zusaetzlich befindet
sich ein (bei den kurzen Leitungen eigentlich unnoetiger) 100µV Elko auf
der Platine und neben bzw. unter jedem OPamp noch ein 330nF X7R Keramik.
Das ganze ist in SMD und daher sehr kompakt (~3x3cm). Also beim
power-distribution-network geb ich mir immer ziemlich den risz.
Ich musz mal ein Photo posten...
@Rauschi
ja DC schon, aber leider logarithmisch und dynamisch geht nicht so
viel... bei so 25Hz ist schlusz. Dafuer rauschts aber auch praktisch
nicht :D
@Christian L.
Ah, der AD797 sieht beim ersten lesen (deines Postings, Datenblatt hab
ich noch nicht) gut aus.
Hmmm, da sind einige dabei die ich in der Herstellerliste zwar gesehen,
aber aus irgendwelchen Gruenden nicht naeher in Erwaegung gezogen habe.
Bin mal gespannt.... am Anfang hatte ich ja noch Null Ahnung und hab
vornehmlich auf den Tcos geglozt. Das ist hinterher immer lustig, wenn
man merkt wie beschraenkt die eigene Sicht am Anfang war (und i.d.R.
auch immernoch ist, wenn auch etwas weniger).
Vielen Dank fuer die Anregung.
>ja DC schon, aber leider logarithmisch und dynamisch geht nicht so>viel... bei so 25Hz ist schlusz. Dafuer rauschts aber auch praktisch>nicht :D
Dann ist für dich das Breitbandrauschen ja sowieso uninteressant, oder?
Das 1/f-Rauschen ist dann schon wichtiger.
Du willst also DC handlen und bei 25Hz tiefpaßfiltern??
@Christian L.
Der LTC1250, den hatte ich auch schon herausgesucht. Wobei der OP177 den
ich jetzt drinnen habe auch ganz ok ist.
Der AD797 ist ja ein brutales Geraet. Aber bei dem krassen input-offset
current verhagelt mir dessen Drift den Nullwert (wird fuer Drucksensoren
verwendet, Null soll moeglichst stabil sein, deshalb will ich den
kleinen offset-drift)
@Rauschi
Nachtrag : ich habe heute interessehalber einen 100nF Kondi vom
Mittelpunkt des Spannungsteilers, der die Eingaenge common-mode maeszig
auf halber Versorgungsspannung haelt, zu Masse geschaltet. Hat am
Rauschen nix geaendert.
@ Rauschi
Äh, irgendwie habe ich das Gefühl, dass du nicht du recht verstanden
hast, was er damit meinte. Oder bin ich blind und sehe die Ironie nicht?
LG Christian
@Rauschi
du hast wohl etwas zu schnell quergelesen :)
Aber ich hab auch zu dick aufgetragen, denn eigentlich ist mein Auge ja
garnix bionisches, sondern nur was (ordinaer) biologisches.
Aber da "bionisch" viel mehr nach SciFi-Hightec klingt, habe ich mir
erlaubt diesen "Fehler" zu machen ;)
>Aber ich hab auch zu dick aufgetragen, denn eigentlich ist mein Auge ja>garnix bionisches, sondern nur was (ordinaer) biologisches.
Sorry, ich habe vor einer Dekade mal ein solches Meßgerät gebaut, das
140dB Dynamik hatte (allerdings AC) und dich deshalb für voll
genommen...
Als Alternative zu einem Zero Offset Verstärker für einer DMS-Brücke
gibt es die Möglichkeit die Brücke mit AC zu betreiben. Ist vom Aufwand
eventuell etwas höher, aber man spart sich den Ärger mit Drift (auch
thermelektrisch) und dem 1/f Rauschen.
@Ulrich
ja das habe ich schon bemerkt. Die alten Meszverstaerker die wir haben
(ganze Geraete, also grosze Kaesten mit Einschueben) mach das alle. Die
von Hottinger&Baldwin ("HBM") arbeiten mit 8KHz. Aber das ist mir im
Moment noch zu hoch. Zudem hab ich keine Ahnung von den Zusammenhaengen
die bestimmen, bis zu welcher Frequenz ich dann bei einer gegebenen
Traegerfrequenz meszen kann. Die HBM-Verstaerker sind alle ultralahm,
also nur fuer DC zu gebrauchen.
Soweit ich weisz geht dann auch das gefi**e los, dasz man die
parasitaere Kapazitaet der Kabel kompensiren musz und so Kruscht. Aber
der Dynamikumfang von den Teilen ist schon beachtlich (bin im Moment
nicht ganz sicher, aber 20dB mehr sinds bestimmt wie bei mir im Moment).
Hast du Erfahrung mit der thermoelektrik ? Ich hab mal ein paar
Ueberschlagsrechnungen gemacht, aber das Problem ist die Abschaetzung
der Temperaturdifferenz zwischen den verschiedenen OP-Beinchen.
Dieter_G schrieb:> Die> von Hottinger&Baldwin ("HBM") arbeiten mit 8KHz. Aber das ist mir im> Moment noch zu hoch.
mit "zu hoch" mein ich bzgl. der Geistigen Anforderungen, nicht die
Frequenz :D
Bei den Trägerfrequenzbrücken kann man bis vielleicht 1/10 der Frequenz
gehen. Wenn die sich Mühe geben mit dem Filter usw. geht es auch weiter,
bis fast zu 1/2 der Frequenz, mit rechteckförmiger Modulation geht es
ggf. sogar auch bis über die Trägerfrequenz, mit nur einer kleinen Lücke
bei der Modulationsfrequenz.
Es gibt und gab auch schnellere Trägerfrequenzbrücken (auch von HBM) mit
ca. 50 kHz Trägerfrequenz wenn ich mich richtig erinnere. Damit kann man
dann auch relativ schnelle Effekte messen.
So schlimm ist das mit dem Abgleichen der Kapazitäten eigentlich nicht.
In der Regel sind die Kabel ja gleich lang, und bei den meist kleinen
Widerständen der DMS stören ein paar 100pF an Kapazität nicht so sehr.
Das wird erst bei hoher Frequenz und sehr langen Kabeln ein Problem.
Ich habe schon Erfahrungen mit der Thermoelektrik: Wenn man nicht
aufpasst kriegt man darüber auch mit driftfreien OPs noch Drift rein und
eine Art 1/f Rauschen rein. Als Gegenmaßnahmen sollte der Verstärker
eher klein sein und nicht zu viel Wärme erzeugen. Konvektionsströme in
der Luft können zu störendem niederfrequentem Rauschen führen und
sollten vermieden werden.
Auch an den Messbrücken selber hat man thermelektrische Spannungen.
Leider ist bei Konstantan die Thermokraft gegen Kupfer relativ hoch.
Die Abschätzung der Temperaturdifferenzen ist schwer. Die Kunst ist es
ja gerade den Verstärker so aufzubauen, das da möglichst keine Differenz
auftritt. Entsprechend sollte man auf Symmetrie achten und im kritischen
Teil auf wenig Verlustleistung achten.
>Blödsinn. Fürs Spannungsrauschen ist das völlig egal.
Die Erfahrung lehrt, daß Dickschichtwiderstände in einer solchen
Anwendung ungeeignet sind.
Dickschichtwiderstände zeigen erheblich größeres Stromrauschen als
Dünnfilmexemplare, wie hier kurz erläutert wird:
http://de.farnell.com/jsp/bespoke/bespoke7.jsp?bespokepage=farnell/de/ed_world/news/industry_news/2007/wk1/ab_resistor.jsp
Zusätzlich ist die Streuung bei der Herstellung viel größer, meint, es
gibt einzelne Ausreißer, die weit stärker rauschen als der Durchschnitt.
Was beim Stromrauschen aber immer unterschlagen wird, ist, daß die Norm
vorschreibt, das Stromrauschen nur im Band zwischen 618Hz und 1618Hz zu
messen. Das in einer Schaltung tatsächliche anzutreffende Stromrauschen
wird damit garnicht erfaßt.
Stromrauschen hat oft eine ausgeprägte 1/f-Charakteristik. Ich habe
schon Schaltungen mit Dickfilmwiderständen gesehen, bei der die
Offsetspannung regelrecht hin- und herzuspringen schien. Austausch der
Dickfilmwiderstände durch Dünnfilmwiderstände beitigte dieses Problem.
@Rauschi
ja das habe ich auch gehoert, dasz die Dickfilm mehr rauschen. Leider
habe ich mit der OP177-Schaltung den Test nicht gemacht, ich denke da
haette ich vielleicht einen Unterschied zwischen beiden Typen gesehen.
@Ulrich
Sehr interessant das alles.
Nur ein Hinweis : Ich verstaerke Druckmesssonden, keine DMS. Sind zwar
im Prinzip das gleiche, aber die Bruecke hat 4K Ausgangsimpendanz (also
nicht niederohmig wie du meintest).
wg. Seebeckeffekt, Temperaturdifferenzen :
Hmmm, also du meinst die Differenz zwischen den Bausteinen, also
zwischen 2 OPs in je einem eigenen Gehaeuse, oder zwischen den OPs und
anderen Bauteilen, z.B. den Feedbackwiderstaenden ? Von wo sind die
staerksten Effekte zu erwarten ? Ich hatte bisher immer nur Sorge um den
Uebergang vom Kupfer zu den OP-Beinchen (genauer : + und - Eingang) und
war daher darauf fokusiert die Temp.Differenz zwischen diesen beiden
(i.d.R. benachbarten) Beinchen zu eliminieren. Der Sensor selbst wird
kaum warm, und auch die Temp.Differenz zwischen OPamp und Sensor sorgt
mich kaum, denn solange die jeweiligen Uebergaenge auf ein anderes
Metall bei paarweise gleicher Temperatur in der Hin- und Rueckleitung
(also den 2 Leitungen vom S-Ausgang zu den OPs) {liegen}/{sich
befinden}, heben sich die Thermospannungen ja gegenseitig auf.
Was sind denn da deine Erfahrungen ?
Und kennst du eine gute Moeglichkeit um Bauteile thermisch gut zu
koppeln, ohne sie elektrisch zu verbinden (also z.B. benachbarte
OP-Beinchen) ?
Die Thermospannungen können an verschiedenen Stellen entstehen. Das sind
wie schon vermutet die Übergänge IC Pin zum Kupfer, aber auch die
Übergänge an Widerständen vom Kupfer zum Widerstandsmaterial. Das ist
vor allem bei Shunts ein Problem. Eine große Thermospannung gibt es auch
am Chip selber, also vom Metall zum Silizium. Damit hier die Differenzen
kleine bleiben sollten alle Pins des ICs auf etwa gleicher Temperatur
sein, nicht nur die beiden Eingänge.
Den Sensor selber würde ich nicht unterschätzen. Oft wird der Strom
gerade als Kompromiss hinsichtlich Rauschen und den thermischen
Problemen gewählt. Konstantan gegen Kupfer hat rund 40 µV/K an
Thermokraft, also relativ viel im Vergleich zu den IC Pins usw. Wenn man
es auch besser 1 µV genau haben will, stört da schon eine Differenz im
Bereich von 25 mK.
Um die Temperaturdifferenzen klein zu halten sollte man zum einen die
Wärmefreisetzung auf das nötige begrenzen. Entsprechend gibt es ein
Abwägen zwischen wenig Rauschen (viel Strom, kleine Widerstände) und
wenig Leistung.
Für den Instrumentenverstärker sind nur die beiden ersten OPs kritisch -
der Rest kann weiter weg sein, oder stromsparend ausgelegt sein.
Wenn die Schaltung und noch ein paar cm drum herum symmetrisch sind,
kann man von einigermaßen geringen Gradienten ausgehen. Die Wärme sollte
per Wärmeleitung verteilt werden, nicht per Konvektion. Das ginge z.B.
mit einem Blech über oder unter der Platine. Die Störungen durch
Konvektion sind halt ein vor allem niederfrequent, nicht unbedingt als
Rauschen, teils auch fast "periodeisch". Je nach Abmesungen vor allem
unter 10 Hz bis vielleicht 0,1 Hz.
Neben der Thermoelektrizität gibt es noch einen indirekten thermischen
Effekt über mechanische Spannungen, die sich auf ICs auswirken. Gerade
bei SMD ICs muss man mechanische Spannung auf der Platine vermeiden.
Ggf.kommen da noch extra Schlitze in die Platine.
Wie sind denn die Anforderungen an die Messaufgabe (Linearität,
Rauschen, Bandbreite, Weiterverarbeitung (AD?)) ? Eine AC Brücke wäre
da ggf. doch einfacher. Es gibt auch schon passende ICs die einem Viel
abnehmen können. Eine eher alte Type wäre z.B. NE5521, auch wenn der vor
allem für LVDT gedacht ist.
@Ulrich
aha aha, ich seh schon, da gibts noch viel zu lernen. Das mit den
mechanischen Spannungen ist ja auch interessant, daran hatte ich noch
nie gedacht.
Vielen Dank fuer die vielen interessanten Informationen.
Wegen der Anforderungen an die Messtechnik : Die sind nicht genau
spezifiziert. Ich hab kein Lastenheft wie in der Industrie. Bandbreite,
urspruenglich 10KHz, aber inzwischen hab ich mich mit mir auf ~5KHz
geeinigt, aus verschiedenen Gruenden (die die Realisierung vereinfachen)
was mir leicht viel, da 10KHz schon groszzuegig war. Rauschen : so wenig
wie moeglich. Ab 1‰ abwaerts, also 60dB finde ich akzeptabel. Im Moment
habe ich ~1mV-PP mit den OP177 bei +-1.4V Nutzsignal, d.h. 1/28'000 also
0.036‰ oder 88dB Rauschabstand. Aber die Schaltung ist ja noch nicht
fertig, die zweite Stufe fehlt ja noch bei meinem
Instrumentenverstaerker, der OP, der das Differenzsignal auf Masse
bezieht. Werde ich morgen oder uebermorgen aufbauen und dann testen,
aber eigentlich duerfte da ja nix mehr anbrennen, denn verstaerkt ist
das Signal da ja schon. Ich habe aber dennoch etwas Sorge, weil
zwischendrinn noch ein Kabel kommt, also nicht wegen Rauschen, sondern
wegen Stoerungen (hauptsaechlich RF). Linearitaetsfehler : kein Blasser,
die Sensoren selbst haben ja schon ?0.5%? oder sowas, also wenn ich da
um Faktor 10 hoch 18 drunter bleibe ists ok :D. Ne im Ernst, also wenn
ich Faktor 4 unter dem Sensor bleibe ist das genug. Weiterverarbeitet
wird mit A/D, genau. 16 bit Aufloesung habe ich erchoren (das ist ne
schoene runde Zahl). Daraus ergibt sich auch bzgl. des Rauschens eine
Maximalanforderung von 1/65535, darunter zu kommen ist absolut
ueberflueszig. Der Nullpunktdrift ist mir noch sehr wichtig. Die
Sensoren sind kompensiert, aber es bleibt natuerlich ein Restfehler der
natuerlich auch nicht mehr linear ist. Es sind typisch +-0.2mV, max.
+-0.5mV spezifiziert bei +-20mV FS (!). Bei EINEM den ich getestet habe,
waren es 20µV bei 25°C->45°C. Das ist mir der wichtigste Punkt, da will
ich irgenwie noch nachbessern um das zu verringern. Dabei bin ich
natuerlich darauf angewiesen, dasz ein halbwegs systematischer Fehler
bleibt. Mal sehen. Hinterher per Software korrigieren geht natuerlich
unter gewissen einschraenkungen auch, find ich aber irgendwie unschoen.
5-10 kHz Bandbreite ist schon recht viel für einen Drucksensor (außer es
ist ein Mikrofon, da ist es eher wenig).
Die AC Brücke hätte halt praktisch keine Nullpunktdrift, außer das was
der Sensor von sich aus hat, und man hat oft weniger Rauschen, weil das
1/f Rauschen weitgehend wegfällt. Dafür hat man bei AC oft mehr Fehler
beim Skalenfaktor und Linearität. Vor allem bei eher geringer Frequenz
kann man bei der AC Brücke die Demodulation ggf. auch mit den AD-Wandler
(ggf. auch mit weniger Auflösung) machen.
Gegen RF Störungen sollte am Verstärker Eingang ein Tiefpassfilter sein
(z.B. Ferrite Perle + Kondensator nach GND.