Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Optimierung eines LNA


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von Felix F. (schlonz)


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Hallo allerseits,
im Anhang findet ihr den Schaltplan eines LNA den ich im Moment am bauen 
bin. (er ist schon aufgebaut) Wie könnte man das Teil noch weiter auf 
niedriges Eingangsrauschen hin optimieren? Verstärkt werden soll eine 
sehr schwache in einer Spule induzierte Spannung.
Der relativ große Eingangswiderstand ist nur zu Testzwecken eingebaut, 
eigentlich sollen aus Rauschgründen sehr viel kleinere Widerstände 
eingebaut werden. Um trotzdem auf einen hohen Eingangswiderstrand zu 
kommen, ist ein Bootstrapkondensator zwischen invertierendem Eingang und 
der Hälfte des Eingangswiderstandes geschaltet. Da der OpAmp versucht 
die Spannung zwischen den Eingängen auf 0 zu regeln, fällt idealerweise 
keine Spannung über dem oberen Eingangswiderstand ab. I=U/R. Es fließt 
folglich kein Strom durch den Eingangswiderstand / der 
Eingangswiderstand erscheint sehr groß, es kann aber trotzdem ein 
kleiner, wenigrauschender Wert verwendet werden. So weit die Theorie.
In der Praxis scheint das Konzept nicht zu funktionieren. Im Anhang gibt 
es außerdem Frequenzgang und Rauschen jeweils für 2x1kOhm und 2x22Ohm 
als Eingangswiderstand. Bei den Rauschmessungen ist der Eingang mit 80 
Ohm abgeschlossen. Als Signalquelle für die Frequenzgangsmessung dient 
ein Signalgenerator mit 0.05V Ausgangsspannung.

Wenn man die beiden Frequenzgänge vergleicht, scheint der Trick mit dem 
Bootstrap nicht zu funktionieren. Hat jemand eine schlüssige Erklärung 
parat? Wie würdet ihr einen hohen Eingangswiderstand bei geringem 
Rauschen realisieren? Das Eingangsrauschen sollte möglichst unter 
1nV/rtHz bleiben. Je weniger desto besser.

Vielen Dank fürs durchlesen und Tipps.
Felix

PS: die Peaks in der Rauschmessung bei 630kHz & 756kHz kommt von einem 
Radiosender in der Nähe.

Datenblatt des Opamps: 
http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD797.pdf

von SPICE (Gast)


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Felix F. schrieb:
> Wie könnte man das Teil noch weiter auf
> niedriges Eingangsrauschen hin optimieren?

MMMEEEHHHRR OPAMPS!!!!
und wenn du schon dabei bist kasnste auch gleich noch bessere nehmen

von Felix F. (schlonz)


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SPICE schrieb:
> MMMEEEHHHRR OPAMPS!!!!
> und wenn du schon dabei bist kasnste auch gleich noch bessere nehmen

bessere? Der LT1028 hat einen hässlichen, breiten Rauschpeak bei 400kHz.

von Ulrich (Gast)


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Die Widerstand zum Bereitstellen des Bias Stromes darf ruhig groß sein, 
also ruhig auch im MOhm Bereich. Der Widerstand liegt 
Wechselspannungsmässig parallel zur Signalquelle - das Rauschen des 
Widerstandes wird also deutlich runter geteilt und fällt damit nicht ins 
Gewicht.

Im Bereich der unteren Grenzfrequenz (durch den Eingangkondensator und 
den Bias-Widerstand) kann sich ggf. ein etwas höheres Rauschen ergeben. 
Meist kann man die Grenzfrequenz am Eingang deutlich niedriger wählen 
und die untere Grenze für den ganzen Verstärker in einer den 
nachfolgenden Stufen festlegen.

von T-E-T-R-A (Gast)


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Felix F. schrieb:
> Wie könnte man das Teil noch weiter auf
> niedriges Eingangsrauschen hin optimieren? Verstärkt werden soll eine
> sehr schwache in einer Spule induzierte Spannung.

http://tf.nist.gov/general/pdf/821.pdf

http://tangentsoft.net/elec/lnmp/

http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/SSM2220.pdf

Und hier im Forum gibt es auch Aktivitäten, die man sich dazu anschauen 
kann:

Beitrag "Audio Spektrum Analysator"

Beitrag "Einfacher Messverstärker 10 Hz - 100 KHz"

von Ulrich (Gast)


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Für die Induktionsspannung könnte man sogar auf die Idee kommen und die 
erste Stufe DC gekoppelt zu lassen, wenn einen ein kleiner Biasstrom 
nicht stört. Die mehr als 100 µV wird man kaum als Offset und 
Thermospannungen bekommen. Da macht es nichts wenn man das in der ersten 
Stufe auch 100 fach verstärkt.

Von der Tendenz kommt man auch besser weg, wenn man die Spule mit mehr 
Windungen und dünnerem Draht wählt. Bei größerer Impedanz wird die 
Noise-Figure oft besser. Bei den wohl eher interessanten etwas höheren 
Frequenzen könnte man dann auch gut diskrete J-FETs nehmen (z.B. BF862).

von Felix F. (schlonz)



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Vielen Dank für deine Antwort

Ulrich schrieb:
> Die Widerstand zum Bereitstellen des Bias Stromes darf ruhig groß sein,
> also ruhig auch im MOhm Bereich. Der Widerstand liegt
> Wechselspannungsmässig parallel zur Signalquelle - das Rauschen des
> Widerstandes wird also deutlich runter geteilt und fällt damit nicht ins
> Gewicht.
Hab ich dich richtig verstanden?
Eingangswiderstände (hier die beiden 1k's) können ruhig groß sein, da 
das Rauschen - betrachtet als zum Eingangswiderstand parallele 
Stromquelle - die Parallelschaltung von Signalquellimpedanz und 
Eingangswiderstand sieht. Diese Parallelschaltung wird natürlich von der 
geringen Quellenimpedanz bestimmt. egal wie groß ich den 
Eingangswiderstand mache, größer als die Impedanz der Quelle wirds 
nicht.

> Im Bereich der unteren Grenzfrequenz (durch den Eingangkondensator und
> den Bias-Widerstand) kann sich ggf. ein etwas höheres Rauschen ergeben.
> Meist kann man die Grenzfrequenz am Eingang deutlich niedriger wählen
> und die untere Grenze für den ganzen Verstärker in einer den
> nachfolgenden Stufen festlegen.

Weil zu tieferen Frequenzen hin die Impedanz von Quelle + 
Koppelkondensator steigt, wird auch der Widerstand der Parallelschaltung 
steigen, es fällt also mehr Rauschspannung ab.
----
Ich habe noch weitere Messungen ohne Bootstrapkondensator gemacht. 
Kleine Eingangswiderstände verbessern das Rauschen nicht wesentlich.

von Felix F. (schlonz)


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@TETRA Danke für die Links, schaue ich mir gleich mal an.

Ulrich schrieb:
> Für die Induktionsspannung könnte man sogar auf die Idee kommen und die
> erste Stufe DC gekoppelt zu lassen, wenn einen ein kleiner Biasstrom
> nicht stört. Die mehr als 100 µV wird man kaum als Offset und
> Thermospannungen bekommen. Da macht es nichts wenn man das in der ersten
> Stufe auch 100 fach verstärkt.

Stimmt. Habe ich auch schon drüber nachgedacht, allerdings keinen 
gravierenden Vorteil gesehen. Könnte man sich den Eingangswiderstand 
nicht eventuell sparen, wenn die Spule DC gekoppelt wird?

> Von der Tendenz kommt man auch besser weg, wenn man die Spule mit mehr
> Windungen und dünnerem Draht wählt. Bei größerer Impedanz wird die
> Noise-Figure oft besser. Bei den wohl eher interessanten etwas höheren
> Frequenzen könnte man dann auch gut diskrete J-FETs nehmen (z.B. BF862).

Es gab schon einen Versuch einen Verstärker mit JFETs zu bauen. Dort 
wurden mehrere CommonSourceVerstärker parallel aufgebaut. Problem war, 
dass der Drainwiderstand klein sein musste um einen nicht zu großen 
Rauschbeitrag zu liefern. Wenn der erstmal warm war, war es mit dem 
LowNoise auch vorbei. Außerdem mussten die JFETs gematcht werden und 
Störungen in der Versorgung sind sofort sichtbar.

von Ulrich (Gast)


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Mit einer DC gekoppelten Spule kann man sich den Widerstand am Eingang 
sparen, und den Kondensator.

Wobei die Ersparnis eher beim Kondensator ist, wenn es um niedriger 
Frequenzen (unter ca. 10 Hz) geht - da wird der Kondensator nämlich 
schon recht groß. Für die hier wohl höheren Frequenzen ist die DC 
Kopplung aber kein wesentlicher Vorteil - hat dafür die Gefahr das z.B. 
50 Hz schon zur Übersteuerung führen.

Es lassen sich durchaus auch gute Verstärker mit JFETs am Eingang 
aufbauen - vor allem für etwas höhere Eingangswiderstände und nicht sehr 
tiefe Frequenzen. Eine gute Lösung ist da z.B. ein kleiner Widerstand 
(z.B. 10 Ohm) an Source und dann eine schwache Rückkopplung auf den 
Widerstand. Auch damit kommt man unter 1 nV/Sqrt(Hz) Rauschen. Nur bei 
tiefen Frequenzen unter etwa 100 Hz wird es schwer.

von Felix F. (schlonz)


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Vielen Dank erstmal für deine Hilfe.

Angestrebter Frequenzbereich ist von 1kHz - ~1,x MHz.
Ich glaube eine Sourcegegenkopplung gegen Temperaturdrift hatte mein 
Vorgänger, der sich mit der JFET-Version beschäftigt hatte, mit drin.

Auf der Platine sind noch 2 Notchfilter drauf, die leider im Moment noch 
am Schwingen sind, und damit den LNA zum schwingen anregen (60MHz 
Â~10mV). Die Filter sind nicht direkt verbunden (keine Verbindung 
zwischen Ausgang LNA und Eingang Filter) und werden über eine seperate 
Versorgung mit gemeinsamer Massefläche gespeist. Vielleicht werden die 
60MHz auch über die Masse oder anders eingekoppelt und der LNA schwingt 
nicht selber.

Wenn ich nur den LNA versorge also die Filter nicht schwingen können, 
schwingt auch nix im LNA. Wenn die Filter dann mal vernünftig laufen, 
sollte es also keine Probleme geben. Trotzdem hätte ich die Schaltung 
gerne so stabil wie möglich. Masseflächen sternförmig aufbauen würde mir 
dazu noch einfallen. Gibt es sonst noch ein paar 
beruhigende/stabilisierende Tricks?

Das der Bootstrapkondensator das Rauschen verschlechtert, könnte daran 
liegen, dass Rauschen vom Ausgang wieder auf den Eingang geführt wird. 
Was sagst du dazu? So ließe sich die Hochpasscharakteristik (0-200kHz) 
erklären.

von Ulrich (Gast)


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Die Bootstrap Schaltung ist schon mal schlecht für die Stabilität. Das 
Rauschen kann auch gut daher kommen, das die Signalquelle als 
Induktivität bei den höheren Frequenzen eine relativ hohe Impedanz hat, 
so dass man dann das Stromrauschen der OPs sieht - mehr OPs geben dann 
auch schon mal mehr Rauschen.

Für den Frequenzbereich 1 kHz -1 MHz würde ich eher JFETs nehmen, vor 
allem wenn man bei der Spule ggf. noch die Wahl hat mehr Windungen zu 
nehmen.
Ein guter Start wäre schon mal das hier :
http://tf.nist.gov/general/pdf/821.pdf

Es geht dabei auch erst mal ohne die Kaskode.

von Felix (Gast)


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Ulrich schrieb:
> Das
> Rauschen kann auch gut daher kommen, das die Signalquelle als
> Induktivität bei den höheren Frequenzen eine relativ hohe Impedanz hat,
> so dass man dann das Stromrauschen der OPs sieht - mehr OPs geben dann
> auch schon mal mehr Rauschen.

Für Rauschmessungen habe ich den Eingang mit einem Widerstand 
abgeschlossen. In den oben angegebenen Messungen mit 80 Ohm, inzwischen 
aber mit 15 Ohm was dem ohmschen Widerstand der Spule entspricht.

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