Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik nicht ganz symmetrische Versorgung eines Instrumentenverstärkers


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von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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Eine Frage, die sich aus der Optimierung von Anzahl der Komponenten und 
Platz ergibt:

Wenn ich ein Instrumentenverstärker statt mit +-2.5V mit +2.7 -2.5V 
betreibe - kann sich das negativ auf das Signal auswirken? Außer 
positiv, dass ich nach oben hin ggf. die Schwelle für die Saturierung um 
0.2V verschiebe?

Der Grund für die Frage: Es gibt noch ein Bauteil mit ähnlichen 
Anforderungen, das braucht aber einseitige >=2,7V. Ich würde gerne beide 
vom selben supply betreiben um mir ein zusätzliches sparen zu können.

Als Referenz bei der Messung mit Instrumentenverstärker gibt es ein AGND 
bei 0V.

Spricht irgendwas dagegen? Erfahrung?

von Peter D. (peda)


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OPVs haben eine sehr hohe CMRR. Man kann sie ohne Probleme unsymmetrisch 
betreiben.

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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Peter Dannegger schrieb:
> OPVs haben eine sehr hohe CMRR. Man kann sie ohne Probleme unsymmetrisch
> betreiben.

Verstehe ich dich richtig: Die CMRR degradiert in einem solchen Fall - 
aber da die heutzutage ohnehin so hoch sind macht das nicht viel?
Auch nicht bei EEG Instrumentenverstärkung (also µV Signal gegenüber 
dominantem 50Hz Brummen)?

: Bearbeitet durch User
von thomas s (Gast)


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Kann man machen. +12 V und -3 V gehen auch, habe ich schon durch.

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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Kann man machen = läuft schon
oder
kann man machen = macht keinen spürbaren high performance unterschied?

von Udo S. (urschmitt)


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Alex v. L. schrieb:
> macht keinen spürbaren high performance unterschied?

Was ist die genaue Anforderung?
Was hat der von dir ausgesuchte Instrumentenverstärker konkret für ein 
CMRR.
Nimm deine Anforderungen und das Datenblatt und rechne.

Allgemein kann man nur sagen: geht in der Regel.

Es gibt schliesslich mehr als ein Instrumentenverstärker auf der Welt.

von thomas s (Gast)


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kann man machen = macht keinen spürbaren high performance unterschied?

%

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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Udo Schmitt schrieb:
> Was ist die genaue Anforderung?

Für typische EEG-Verstärkung, d.h. low noise 1-500 µV mit überlagertem 
50Hz Brummen und Bias Drive Gegenkopplung (Driven Right Leg)

> Was hat der von dir ausgesuchte Instrumentenverstärker konkret für ein
> CMRR.

120dB

Udo Schmitt schrieb:
> Nimm deine Anforderungen und das Datenblatt und rechne.

Ich weiß ehrlich gesagt nicht genau wie (ich die supply voltages mit 
einbeziehe)- würde es aber gerne!

Einfach als Faktor zum Gain?

von Christian L. (cyan)


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Alex v. L. schrieb:
> Einfach als Faktor zum Gain?

Nein, sondern als additiver Anteil des Ausgangsssignals. Durch die 
unsymmetrische Spannung liegt der Bezugspunkt nicht mehr genau in der 
Mitte der Versorgungsspannungen, sondern um 100mV verschoben an. Der 
Unterschied bei dem Bezugspunkt zwischen +-2,5V und +2,7V/-2,5V verhält 
sich genauso, als würdest du deinen eigentlichen Signalen gleichermaßen 
einen Offset verpassen. Dieser Offset erscheint nun mit dem Verhältnis 
des CMRR verringert am Ausgang des Instrumentenverstärkers. Bei einem 
Offset von 100mV und einem CMRR von 120dB ergibt sich ein Offset am 
Ausgang von 100pV und ist somit vernachlässigbar klein.

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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Gerade mal um ein Gefühl zu kriegen in TINA/LTSpice mit einem Makro von 
einem  anderen Instrumentenverstärker (INA114, CRMMmin= 90 @ G=10) mit 
aber ähnlichen specs getestet:

Supply
1) +-2.5
2) +2.7 und -2.55

+/- Eingänge beide Gleichtakt 50Hz mit
a) 200mV (141,42 mVrms)
b) 2V Amplitude (1,41 Vrms)

Ergebnise der Simulation (INA Ausgang):
1.a) 5,10 µVrms
2.a) 5,14 µVrms
1.b) 49,55 µVrms
2.b) 49,55 µVrms

Dämpfung Uout/Uin (ja ich weiß, das ist nicht die richtige CMRR 
definition):
1.a) -88,86 dB
2.a) -88,79 dB
1.b) = 2.b) = -89,08 dB

Die Simulation behauptet also, dass beim INA114 Makro eine 
Supply-Asymmetrie von 150mV nicht wirklich bemerkbar ist. Wie ich das 
aber direkt berechnen würde ist mir noch nicht klar (Ich traue meinen 
simulationen idR nicht so ;-) )

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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Christian L. schrieb:
> Nein, sondern als additiver Anteil des Ausgangsssignals. Durch die
> unsymmetrische Spannung liegt der Bezugspunkt nicht mehr genau in der
> Mitte der Versorgungsspannungen, sondern um 100mV verschoben an. Der
> Unterschied bei dem Bezugspunkt zwischen +-2,5V und +2,7V/-2,5V verhält
> sich genauso, als würdest du deinen eigentlichen Signalen gleichermaßen
> einen Offset verpassen. Dieser Offset erscheint nun mit dem Verhältnis
> des CMRR verringert am Ausgang des Instrumentenverstärkers. Bei einem
> Offset von 100mV und einem CMRR von 120dB ergibt sich ein Offset am
> Ausgang von 100pV und ist somit vernachlässigbar klein.

Danke!
Allerdings Rückfrage: Kleine DC-Offsets am Ausgang wären mir ja relativ 
schnuppe - die Sorge war ja, dass die 50Hz Unterdrückung nicht stark 
genug ist.
Wenn dieses 50Hz Brummen, sagen wir mal im aller schlimmsten Fall einige 
100mV, nun auf dem durch das supply erzeugten Offset in den InstrAmp 
kommt ist mir noch nicht klar, wie sich deine Rechnung auf AC signale 
übertragen lässt!

: Bearbeitet durch User
von Ulrich H. (lurchi)


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Die meisten INAs haben gar keinen GND-Anschluss, sondern nur einen 
Anschluss für die Ref. Spannung auf die sich das Ausgangssignal bezieht. 
Der INA merkt also nicht ob man -2,5 V und +2,7 V oder  0 und 5,2 V oder 
+-2,6 V hat. Die Lage der Ref. Spannung hat oft einen Einfluss auf den 
Gleichtaktbereich - auf genau die Mitte muss man da aber nicht gehen. 
Nur ganz am Rand ist ggf. nicht gut und erhöht die Fehler.

Wenn man die Ausgangs Ref. auf GND legt, gibt es ggf. einen Minimalen 
Unterschied, aber -100 dB von 0,1 V sind 1µV und damit gegen den Offset 
zu vernachlässigen. Es wird auch das PSRR davon nicht besser oder 
schlechter - jedenfalls nur so wenig dass man nicht sagen kann ob besser 
oder schlechter.

von Kai K. (klaas)


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>Allerdings Rückfrage: Kleine DC-Offsets am Ausgang wären mir ja relativ
>schnuppe - die Sorge war ja, dass die 50Hz Unterdrückung nicht stark
>genug ist.

Was hat denn der DC-Offset mit der 50Hz Unterdrückung zu tun??

>Wenn dieses 50Hz Brummen, sagen wir mal im aller schlimmsten Fall einige
>100mV, nun auf dem durch das supply erzeugten Offset in den InstrAmp
>kommt ist mir noch nicht klar, wie sich deine Rechnung auf AC signale
>übertragen lässt!

Mann, was für einen Mist du da schreibst! Da wird einem ja ganz 
schwindelig. Versuche doch erst mal etwas über OPamps zu lernen. TI hat 
prima "application note", in denen diese Details bis zum Erbrechen 
diskutiert werden.

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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Kai Klaas schrieb:
> Mann, was für einen Mist du da schreibst!

In diesem Fall muss ich dir recht geben, DC-Offsets am Ausgang haben 
damit nichts zu tun und das war Mist - Die formulierung kam zustande, 
weil ich versucht habe

Christian L. schrieb:
> Dieser Offset erscheint nun mit dem Verhältnis
> des CMRR verringert am Ausgang des Instrumentenverstärkers. Bei einem
> Offset von 100mV und einem CMRR von 120dB ergibt sich ein Offset am
> Ausgang von 100pV und ist somit vernachlässigbar klein.

nachzuvollziehen. Und genau um die Unklarheit zu beseitigen noch eine 
Frage gestellt, vielleicht mistig formuliert - Und zwar genau "> Was hat 
denn der DC-Offset mit der 50Hz Unterdrückung zu tun??".
Die Erklärung von Christian, die ich offensichtlich noch nicht richtig 
verstanden habe, betrachtet ja nicht die amplitude meines Gleichtakt 
50-Hz Störsignals, von dem ich wissen will, wie viel weniger die 
gedämpft wird (und damit CMRR degradiert), wenn der Bezugspunkt eben 
durch das asymmetrische supply einen Offset hat.

Kai Klaas schrieb:
> Versuche doch erst mal etwas über OPamps zu lernen.

Genau das versuche ich hier - allerdings die Fragen, die im Studium an 
der Uni meist keine Rolle gespielt haben.

CMRR wird aus dem Verhältnis von Differenz zu Gleichtaktverstärkung 
angegeben. Wie sich die Gleichtaktverstärkung aber mit asymmetrischer 
Versorgung verhält, das steht nirgends im Datenblatt.

Der INA den ich nutze würde mit +2.7V, -2.55V versorgt,
der + Eingang bekommt das Biosignal,
der - Eingang ein Referenzsignal vom Körper

Der Körper aber wird per Driven Right Leg (andere Elektrode) auf einen 
Bias von ca Vdd+Vss/2 gelegt- also ca. bei 75mV über AGND.

Ulrich H. schrieb:
> Die Lage der Ref. Spannung hat oft einen Einfluss auf den
> Gleichtaktbereich

Danke für deine Einschätzung.

: Bearbeitet durch User
von Kai K. (klaas)


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>In diesem Fall muss ich dir recht geben...

Wollte dich nicht beleidigen. Aber wenn alles in einen Topf geschmissen 
wird, entsteht völliges Chaos.

Mein Tipp: Zeichne doch erst mal einen vollständigen Schaltplan der 
Schaltung, so wie du dir das vorstellst. Dann können wir wirklich 
konkret diskutieren und der Nebel lichtet sich endlich.

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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Den hätte ich schon gepostet - weil ich ein integriertes Analog-Frontend 
nehme und die Schaltung ziemlich umfangreich ist, ist das ganze aber 
leider nicht so Einfach. Den Grundaufbau mit dem selben Prinzip habe ich 
aber jetzt mal in Eagle zusammengeklickt (s. Anhang)

Wie gesagt: INA wird leicht asymmetrisch betrieben.
Das gemessene Differenzsignal  kommt vom Körper (Biosignal). Der wird 
durch den DRL Circuit (unten angedeutet) gebiased.
GND in der Schaltung liegt bei ECHTEN 0V.

Im Beispiel gibt es zwei Channel, die das BIAS signal erzeugen. Ch2 ist 
nicht abgebildet aber wäre identisch wie Ch1.

: Bearbeitet durch User
von Kai K. (klaas)


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Stimmt die Gegenkopplung von IC2a? Ist das ein OPamp?

von Kai K. (klaas)


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Und was ist das für ein komischer Bias zwischen R1 und R4?

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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Kai Klaas schrieb:
> Stimmt die Gegenkopplung von IC2a? Ist das ein OPamp?

Ist ein Opamp, ja.
Gegenkopplung sollte Stimmen! Wie gesagt, es ist ein Driven Right Leg 
circuit, der Ausgang geht auf den Körper zurück.
Allerdings ein Flüchtigkeitsfehler: das Signal Ch1_BIAS /Ch2_BIAS wäre 
natürlich jeweils durch einen spannungsfolger entkoppelt.

Die Bezeichnung CH1_Bias CH2_Bias sollen verdeutlichen, dass an stelle 
CH2 noch einmal so eine Schaltung am Eingang steht wie an CH1. Ch1_Bias 
ist also nur ein Name, kein Input. Doof, sorry.
Hier nochmal die korrektur

: Bearbeitet durch User
von Kai K. (klaas)


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>Allerdings ein Flüchtigkeitsfehler: das Signal Ch1_BIAS /Ch2_BIAS wäre
>natürlich jeweils durch einen spannungsfolger entkoppelt.

Ok, das macht Sinn.

>Gegenkopplung sollte Stimmen! Wie gesagt, es ist ein Driven Right Leg
>circuit, der Ausgang geht auf den Körper zurück.

Ja, ich weiß was das ist. Aber sollte in der Gegenkopplung von IC2a 
nicht ein Gleichstrompfad zwischen "-" Eingang und Ausgang existieren?

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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Kai Klaas schrieb:
> Ja, ich weiß was das ist. Aber sollte in der Gegenkopplung von IC2a
> nicht ein Gleichstrompfad zwischen "-" Eingang und Ausgang existieren?

Ich glaube da gehen die Meinungen auseinander. Bei "Open (DC) Loop" wird 
teilweise von höherem effektiven CMRR berichtet.
Dieser DRL-Circuit funktioniert so aber definitiv (und ich habe ihn 
ohnehin aus dem openeeg projekt geklaut).

: Bearbeitet durch User
von Kai K. (klaas)


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>Ich glaube da gehen die Meinungen auseinander. Bei "Open (DC) Loop" wird
>teilweise von höherem effektiven CMRR berichtet.

Aha, "open loop". Dann soll IC2a ein DC-Servo sein?

>Dieser DRL-Circuit funktioniert so aber definitiv (und ich habe ihn
>ohnehin aus dem openeeg projekt geklaut).

Vorsicht, einige dieser "openeeg projekt" Schaltungen sind Murks. Hast 
du eine belastbare Referenz für die "open loop" Methode?

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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Kai Klaas schrieb:
> Aha, "open loop". Dann soll IC2a ein DC-Servo sein?

Nein, stinknormaler OPA!

Kai Klaas schrieb:
> Vorsicht, einige dieser "openeeg projekt" Schaltungen sind Murks. Hast
> du eine belastbare Referenz für die "open loop" Methode?

Ja stimmt, die unter openeeg.sourceforge.net hat aber bislang einen ganz 
guten Ruf- das EEG habe ich mir auch vor jahren mal nachgebaut und das 
hat mit DRL gut funktioniert. Auch in einem weiteren DRL Circuit für 
kapazitives EMG das ich mal aufgebaut hat schien es OK! Allerdings habe 
ich nie einen Vergleich zu "closed loop" gemacht.

Tatsächlich belastbare Referenzen bis auf eigene positive Erfahrung und 
bislang und hier und da Leute, die in Foren meinen bei ihnen 
funktioniert es besser, habe ich sonst aber nicht.

Wie würdest du es denn anders umsetzen? Ich lasse mich gerne eines 
besseren belehren! Im Anhang habe ich noch eine andere Umsetzung aus 
einem DRL reference design mit DC pfad (hoffe auf die schnelle alles 
richtig). Das hatte ich stehen, bevor ich auf die openeeg-lösung 
umgestiegen bin.

: Bearbeitet durch User
von Ulrich H. (lurchi)


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Die DC mäßige Rückkopplung ergibt sich über den INA oben. Das sollte 
also auch ohne die DC Rückkopplung direkt an IC2a gehen.

Mit der zusätzlichen DC Rückkopplung wird halt der Gleichspannungsmäßig 
(und LF) auch die Bias Elektrode berücksichtigt und im Mittel zwischen 
den Elektroden ein DC Wert von 0 angestrebt. Der Übergang ist ggf. auch 
fließen, je nach Werten von R7, R8 und R10.

In der Schaltung oben ohne DC Rückkopplung ist der Widerstand am OP 
Ausgang irgendwie komisch und nicht unbedingt passend. Der Teil sieht 
unten besser aus.

von Kai K. (klaas)


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>Nein, stinknormaler OPA!

Ja natürlich ein "stinknormaler" OPamp, aber eben als DC-Servo 
beschaltet. Wenn du die Gegenkopplung für DC aufmachst und da nur noch 
einen Cap hast, wirkt das wie ein Integrierer. In Kombination mit dem 
Rest der Schaltung IST das ein DC-Servo. Andernfalls würden C3 und C4 
stetig weiter aufgeladen, bis der Ausgang von IC2a in der Begrenzung 
landet. Wohin sollen denn die Ströme durch R7 und R8 weiterfließen, wenn 
du die Gegenkopplung für DC aufmachst??? Also, entweder du hast da einen 
DC-Servo oder schlichtweg einen Schaltungfehler. So einfach ist das!

>Wie würdest du es denn anders umsetzen?

Ich würde zu Beginn auf jeden Fall erst mal auf eine von einem 
Chip-Hersteller empfohlene Schaltung zurückgreifen. Da gibt es ja 
etliche Datenblätter von Instrumentationsverstärkern die du durchstöbern 
kannst.

: Bearbeitet durch User
von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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In ordnung, dann teste ich erstmal das zweite design, das ist aus nem 
Herstellerdatenblatt.

Danke für eure Hilfe!

P.S. ich habe auch im Herstellerforum bezüglich des INA Frontends 
inzwischen auf meine CMRR Frage eure Beiträge bestätigt bekommen, dass 
die angegebenen specs auch für supply-asymmetrien gelten.

"...the CMRR specification is valid for both unipolar and bipolar 
supplies, including asymmetric supplies, ranging from 4.75V to 5.25V."

von Kai K. (klaas)


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>P.S. ich habe auch im Herstellerforum bezüglich des INA Frontends
>inzwischen auf meine CMRR Frage eure Beiträge bestätigt bekommen, dass
>die angegebenen specs auch für supply-asymmetrien gelten.

Ob dein µV-Nutzsignal und ein dominierender, überlagerter Brumm sich 
gegenseitig so stören, daß dein Nutzsignal davon beeinflußt wird, ist in 
erster Linie eine Frage der Linearität des Instrumentationsverstärkers. 
Dabei würden durch Intermodulationsverzerrungen um den 50Hz Brumm herum 
Seitenbänder entstehen. Wenn Nutzsignal und Brumm frequenzmäßig 
ausreichend weit auseinanderliegen, kann dann Filtern helfen. Ein 
Antialiasingfilter brauchst du ja sowieso, wenn da noch ein µC mit 
seinem ADC hintendran ist.

Eventuell auch lesenswert:

Beitrag "Notch-Filterbaustein gegen 50 Hz Brummen"

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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Danke Kai!
Den Beitrag kenne ich, weil ich ihn gestartet habe - den, den mit den 
doofen Fragen habe ich damals schon gespielt (allerdings mit Alex als 
Gastaccount) ;)
In meinem Fall liegt das 50Hz brummen grade noch so im EEG spektrum, 
deshalb macht nichtideales (analoges notch-)filtern hier für mich keinen 
großen Sinn. Deshalb auch das Versteifen auf eine gute CMRR und DRL.
RC-Anti-Alias Filter sind drin! :)

P.S. die kapazitiven EMG Elektroden aus dem von dir verlinkten Beitrag 
habe ich übrigens mit ebendem DRL-Circuit betrieben, der keinen DC-Pfad 
aufweist. Ich teste jetzt trotzdem erstmal V2.

: Bearbeitet durch User
von Kai K. (klaas)


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>Danke Kai!
>Den Beitrag kenne ich, weil ich ihn gestartet habe - den, den mit den
>doofen Fragen habe ich damals schon gespielt (allerdings mit Alex als
>Gastaccount) ;)

Ich war auch da, aber unter anderem Namen...

>In meinem Fall liegt das 50Hz brummen grade noch so im EEG spektrum,
>deshalb macht nichtideales (analoges notch-)filtern hier für mich keinen
>großen Sinn. Deshalb auch das Versteifen auf eine gute CMRR und DRL.
>RC-Anti-Alias Filter sind drin! :)

Ich würde eine hohe Abtastfrequenz empfehlen und digital filtern, wenn 
das Nutzsignal so nahe am Brumm liegt. Eventuell mit einem DSP. Ist ja 
heute kein Problem mehr.

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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Das Analogfrontend hat einen 24Bit Sigma-Delta wandler mit fclk 2.048Mhz 
und einer Datenrate bis zu 16ksps (dann aber weniger ENOBs).
Sollte kein Problem sein!

von Ulrich H. (lurchi)


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Bei Kapazitiven Elektroden (ohne DC Pfad) sollte man am Eingang noch 
Widerstände parallel zu C1,C2 haben. Auch sollte dann der DC Pfad 
natürlich so wie in der 2. Version von der Ref. Elektrode kommen.

Bei einem 24 Bit ADC braucht man eher nicht viel Verstärkung, weil der 
ADC schon bis nahe an die Rauschgrenze nach unten geht. Entsprechend 
muss man bei INA auf die Gleichtaktunterdrückung bei der relativ 
niedrigen Verstärkung achten. Auf Kosten des kleineren Messbereichs kann 
man ggf. eine höhere Verstärkung wählen als eigentlich vom Rauschen 
nötig wäre. Übertreiben darf man es dabei aber auch nicht.

von Jemin K. (jkam)


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In der Schaltung würde ich mir am ehesten Sorgen um PIN 5 machen. Wenn 
das der Ref-Anschluss sein soll, muss der niederohmig mit definiertem 
Potential verbunden werden!

Das DC-Servo ist übrigens öfter Grund für Probleme als Lösung selbiger.

Auch muss man bedenken, dass verbleibende 50 Hz Reste im Signal oftmals 
durch ungleiche Einkopplung in die Elektroden kommen. Da nützt es nichts 
die CMRR hochzudrehen, weil es eben KEIN Common Mode Signal ist! Da 
hilft nur Kabel schirmen und Impedanz anpassen aufs kleinste was eben 
grad so geht.

Bevor man also über 200 mW Supply Offset nachdenkt, sollte man 
vermutlich erstmal diese Probleme angehen.

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