Hallo Zusammen, für einen Sensor mit hoher Ausgangsimpedanz benötige ich einen Verstärker mit geringem Rauschen. Das einfachste wäre die Eingangsstufe mit einem OP aufzubauen, leider haben die OPs mit kleinem Eingangsrauschen einen relativ hohes Stromrauschen. Um bei gegebener Impedanz ein Gesamt Eingangsrauschen von unter 2nV/sqrt(Hz) zu erreichen habe ich beschlossen ein JFET einzusetzen. Leider habe ich kaum Erfahrungen mit diskret aufgebauten Verstärkern. Der Verstärker soll das Signal von 10 kHz - 100 kHz um ~25 dB verstärken. Die Variation zwischen den Verstärkern sollte nicht grösser als +- 2 dB sein. Die Impedanz des Sensors ist Frequenzabhängig und liegt zwischen 10000 Ohm und 1000 Ohm. Ich habe den Verstärker berechnet und Simuliert, siehe Bild. Die AC Verstärkung des JFET beträgt 20 durch die Rückkopplung wird diese auf den Faktor 5 Verringert. Dadurch erhoffe ich eine Stabilisierung der Verstärkung. Leider kann ich aus dem Datenblatt des 2SK3557 nicht erkennen, wie gross die Variation von der "forward transfer admittance yfs" ist. Id beträgt ~1 mA, somit beträgt yfs ~10 eine Variation von 6 - 30 wären tolerierbar. Ist es möglich eine Aussage über die Verstärkung zu machen? Ist der Aufbau des Verstärkers generell so in Ordnung? Gruss Tom
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Ohne die Schaltung genauer zu betrachen: Wenn Vcc nicht superspezialrauscharm ist, wird das nix. Ich möchte anregen, professionelle Audio OP (z.B. von AD wie SSM2019) mal anzuschauen, bevor man hier ein ziemliches Fass aufmacht.
schau Dir diesen Verstärker einmal an http://www.wenzel.com/wp-content/uploads/lowamp.pdf Der hat wirklich weniger als 0.6nV/sqrt(Hz) macht 30 und 60dB (umschaltbar) und ist wirklich hervorragend. Im HamRadio-Vortrag 2014 findest Du was wir damit angestellt haben http://www.dg8saq.darc.de/ EMU
@ths Da der Verstärker erst ab 10 kHz eingesetzt wird, sollte sich die Versorgungsspannung schon ausreichen filtern lassen. Der SSM2019 hat schon ein geringen Spannungsrauschen aber bei dieser Impedanz dominiert das Stromrauschen. @EMU Diesen Verstärker kenne ich. Leider wird keine Aussage über die Variation der Verstärkung gemacht.
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Tom schrieb: > @EMU > Diesen Verstärker kenne ich. Leider wird keine Aussage über die > Variation der Verstärkung gemacht. Wenn Du auf das angehängte Bild schaust, ist angegeben wie die Verstärkung berechnet wird EMU
Den Kondensator im Sensor hatte ich übersehen, da ist in der Tat FET günstiger. LT's Application Note 21 "Composite Ampflifier" gibt in Fig 3 eine Grundschaltung an, die ich für ausbaufähig halte. U401 o.ä. wären für die Eingangsstufe keine schlechte Wahl.
@EMU Es geht mir nicht um die Verstärkung, sondern um den Fehler. Entschuldige wenn ich falsch liege ich arbeite mich noch in dieses Thema ein: So viel ich weiss, gilt diese Berechnung nur bei sehr hoher Verstärkung. JFETs haben aber generell eine geringe Verstärkung. @ths werde es bei Gelegenheit anschauen. Eine Aussage über meine Schaltung würde mich aber dennoch interessieren.
Von Analog Devices gab es Application notes zu der Wahl von low noise Operationsverstärkern abhängig von der Quellimpedanz. Ich habe jetzt auf die Schnelle die AN940 entdeckt, da gibt es ein Diagramm zu Auswahl. http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/AN-940.pdf hier noch eine "RAQ"(rarely asked question) Seite zum Thema: http://www.analog.com/en/education/education-library/raqs/raq_jb_resistor_noise_can_be_deafening_issue25.html
Tom schrieb: > leider haben die OPs mit kleinem > Eingangsrauschen einen relativ hohes Stromrauschen. Dunkel wars, der Mond schien helle...
fehlt noch das Stromspannungsrauschen... In der Appnote die ich eigentlich suchte war ein OP für mittlere Quellimpedanzen empfohlen - schau das Diagramm in AN940 an, da liegen ein paar im Mittelfeld.
Wenn es denn diskret sein soll, dann kannst du dir im Link unten anschauen, wie ein guter diskreter Verstärker aussieht. Single-ended JFET-Verstärker kann man im Grunde nicht ohne Arbeitspunkt-Regelung aufbauen, aufgrund der von dir richtig bemerkten großen Streuung zwischen Exemplaren. Differentialverstärker haben natürlich einen von sich aus geregelten AP, aber auch das doppelte Rauschen. Beitrag "Re: Meßverstärker für 1/f-Rauschen 0.1 - 10 Hz"
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Ich würde einen OPV verwenden. OP37 oder LT1037 würden sich anbieten. Wenn das Stromrauschn wichtiger ist auch LT6233. Ich glaube es ist recht schwer mit diskreten JFETs das Stromrauschen unter das des LT6233 zu bekommen. Insbesondere dann, wenn Du 1 mA BIAS auf den JFET gibst. Mit CMOS könntest Du das Stroimrauschen auch weiter runter bringen, aber das Spannungsrauschen kann dann nicht auf 2 nV/Wurzel(Hz) gebracht werden.
@Harald Wilhelms Um in die nähe von 2nV/sqrt(Hz) zu kommen, dürfte der OP bei 1nV/sqrt(Hz) Spannungsrauschen gerade mal 100fA/sqrt(Hz) Stromrauschen haben. Um noch einmal auf meine Aussage zurückzukommen. Op amps mit solch niedrigem Spannungsrauschen haben meist ein hohes (~2pA/sqrt(Hz)) Stromrauschen. @Christoph Kessler Die equivalente Rauschquelle des Sensors entspricht dem eines 100 Ohm Widerstandes. Die hohe Quellimpedanz kommt durch die Kapazität zu Stande.
Das Stromrauschen ist ja nur proportional zu sqrt(naturkonstante * Ig). Für Ig dürfte Uds relevanter sein als Ids [Und Uds könnte man zur Not weg-kaskodieren]. Da seine Quelle mit 10 kΩ aber recht niederohmig ist, wird es eher keine wesentliche Rolle spielen und das Spannungsrauschen dominant sein.
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Um es ein wenig klarer zu formulieren: Man kann nicht gleichzeitig wenig spannungsrauschen und wenig Stromrauschen haben. Also entweder nimmt man viel Stromrauschen oder viel Spannungsrauschen in Kauf um beim jeweils anderen Wert gut dazustehen. Eine Konstruktion de auf ein Spannungsrauschen von 1 nV/Wurzel(Hz) abzielt, ist also vornherein zum scheitern verurteilt. Die Tatsache daß Du ggf. keinen zufriedenstellenden OPV gefunden hast liegt daran, daß kein solcher aus physikalischen Gründen machbar ist. Unoise + Inoise = Naturkonstante + ev. Fertigungsfehler (i.d.R. vernachlässigbar, außer im tiefen Frequenzbereich < 1000 Hz)
Marian . schrieb: > Das Stromrauschen ist ja nur proportional zu sqrt(naturkonstante * > Ig). > Für Ig dürfte Uds relevanter sein als Ids [Und Uds könnte man zur Not > weg-kaskodieren]. Da seine Quelle mit 10 kΩ aber recht niederohmig ist, > wird es eher keine wesentliche Rolle spielen und das Spannungsrauschen > dominant sein. Bei dem enormen Quellenwiderstand von 10 KOhm ist unter der Vorraussetzung, daß man den geeigneten OPV verwendet definitiv das Stromrauschen dominant, das hat der Themaersteller schon richtig erkannt. Bei Quellwiderständen von 0 Ohm bis zu 1 KOhm ist das Spannungsrauschen dominant. Ab 1 KOhm bis unendlich Ohm ist das Stromrauschen dominant. So als Faustregel. Das hängt natürlich auch vom Operationsverstärker ab, was tatsächlich dominant ist. Also die Frequenz bzw. der Quellenwiderstand für die/den der Operationsverstärker optimiert wurde. Mit einem falschen OPV kann man natürlich noch mehr "kaput machen". Mit so billigen Zaubertricks wie JFETs vorstellen kann man nichts erreichen. Damit kann man die Optimierung eines OPV hin zu einem niedrigeren Quellenwiderstand (z.B. für 100 Ohm) machen, das geht, aber sonst auch nichts. Von Linear gibt es übrigens eine Liste, für welchen Quellenwiderstand welcher OPV der geeignetste bzgl. Rauschen ist. Finde ich grad nicht. Doch ich habs wieder gefunden: http://cds.linear.com/docs/en/design-note/dn355f.pdf LT1677 ware z.B: optimal dann. (oder die anderen auf der 10 KOhm Linie im untersten Diagramm)
@Marian vielen Dank für den Link. Werde die Schaltung bei Gelegenheit studieren. Ich dachte aber, dass ein Verstärker mit einer Variation von +- 2dB einfacher zu bauen wäre. @Frank Der LT1037 währe eine gute Alternative leider kein single supply. Ich bin aber schon der Meinung, dass mit einer diskreten Schaltung ein bessere Performance erreicht werden kann.
Bei dieser Liste wird davon ausgegangen, dass das Rauschen mit 0.13*sqrt(Ohm) zunimmt. Bei meiner Quelle bleibt das Rauschen konstant bei 1.3 nV/sqrt(Hz). Die Impedanz ist Kapazitiv! Der Sensor ist übrigens als Ersatzschaltung im Schema eingezeichnet.
Tom schrieb: > Bei dieser Liste wird davon ausgegangen, dass das Rauschen mit > 0.13*sqrt(Ohm) zunimmt. Bei meiner Quelle bleibt das Rauschen konstant > bei 1.3 nV/sqrt(Hz). Die Impedanz ist Kapazitiv! Der Sensor ist übrigens > als Ersatzschaltung im Schema eingezeichnet. Natürlich spielt der Realteil der Impedanz die Rolle. Sind die 10 KOhm nun real, imaginär oder beides zusammen? Falls real, dann gilt auch für die kapazitive Impedanz die entsprechende Rauschoptimierung gemäß Linear-Empfehlung. Bei einem zusätzlichen Imaginäranteil ergeben sich lediglich zusätzliche Schwierigekeiten, durch die Phasenverschiebung. Für Single Supply dann auch z.B. Lt1677 ist ja genau optimal für Dich und hat Single Supplay. Ggf. auch der LT6202, der ist zwar eher für 3 KOhm optimiert aber ziemlich nah dran an 10 KOhm.
Tom schrieb: > @EMU > Es geht mir nicht um die Verstärkung, sondern um den Fehler. > Entschuldige wenn ich falsch liege ich arbeite mich noch in dieses Thema > ein: So viel ich weiss, gilt diese Berechnung nur bei sehr hoher > Verstärkung. JFETs haben aber generell eine geringe Verstärkung. Was Du hier übersiehst ist, dass die Fets in die Schleife mit dem nachfolgenden OPV einbezogen werden und dieser mit seiner hohen Verstärkung, Verstärkungen der Fets und andere Größen wie beim normalen OPV eliminiert werden. Die in der Formel im Bild oben angegbene Verstärkung ist rein durch das Widerstandverhältnis (und ggf. der Temperaturgang der Widerstände und deren Drift) festgelegt. So wie das halt bei normalen OPV-Schaltungen auch ist. EMU
Mit BJT basierten Verstärkern hat man das Problem mit hohem Rauschstrom für die Rauscharmen Typen. Bei JFETs oder JFET basieren OPs hat man deutlich weniger Stromrauschen - zumindest bei niedriger Frequenz. Das Stromrauschen der JFETs ist nicht so sehr vom Strom abhängig (da geht mehr der Leckstrom ein) und kann schon sehr viel kleiner sein als bei BJTs, auch bei vergleichbarem Spannungsrauschen. Ein Problem ist ggf. das viele Datenblätter bei den JFETs keine Angaben zum Stromrauschen machen. Ein paar grobe Kurven findet man bei 2SK170 / 2SK117 - die sollte auch bei 100 kHz noch ganz gut sein. Jedenfalls sind da Noise figure Werte deutlich unter 1 dB angegeben - also schon mal deutlich unter dem Eigenrauschen der Quelle. Der AD743 JFET OP geht schon mal in die richtige Richtung. So etwas wie 4 Stück davon parallel würde wohl passen mit ca. 1.5 nV /Sqrt(Hz) und 20 fA/Sqrt(Hz) Stromrauschen. Diskrete JFETs (z.B. BF862, 2SK117,...) sollten vor allem günstiger sein und auch nicht mehr Rauschen - nur die DC Performance wird schlechter sein.
@EMU Dass die Verstärkung über die Rückkopplung stabilisiert wird, ist mir durchaus bewusst. Bei meinem Design hat einen open loop gain von 80 und einen closed loop gain von 20. Die Rückkopplung wirkt beim FET wie der Rs 420 Ohm hätte. Die Verstärkung der ersten Stufe berechnet sich mit S*Rd/(1+S*Rs). In Tieze Schenk steht, dass die forward transfer admittance vernachlässigt werden kann, wenn S*RS >> 1 ist. Bei meinem Verstärker entspricht S*Rs = 4.2, ist das nun hinreichend? Mag sein, dass der Wenzel Verstärker einen höheren open loop gain hat und somit stabiler ist. Ich möchte aber nicht einfach einen anderen Verstärker einsetzten ohne die Eigenschaften meines Verstärkers verstanden zu haben. Was ich wissen muss, ist die Variation von der forward transfer admittance des 2SK3557.
Schau mal hier: http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/2SK3557-D.PDF in diesem Datenblatt ist zumindest mal ein Bereich angegeben. Das wird dir aber noch nicht reichen. Die Werte sind immer nur in einem bestimmten Arbeitspunkt angegeben. Die werden sicher noch schwanken über Temperatur, Betriebsspannung und Drainstrom. Aber vielleicht ist das für dich ja kein Problem. Willst du mit der Schaltung in Serie gehen? Wenn nicht, dann musst du deine FETs selektieren. Einfach einen Beutel kaufen und die guten aussuchen. So kannst du deine Schaltung auf einen Wert einstellen und gut. Grüße, Jens
Das Datenblatt habe ich schon studiert, mir sind dabei die gleichen Punkte aufgefallen wie dir. Selektieren liegt nicht drin, die Verstärker sollen mehrfach in einem Gerät verbaut werden und dürfen nicht all zu stark von Kanal zu Kanal abweichen. Dabei ist die Gesamtverstärkung kaum Relevant nur die Variation unter den Kanälen. Eventuell wäre eine Kalibrierung des Gains möglich, aber ist so ein Verstärker überhaupt stabil?
Tom schrieb: > Ich möchte aber nicht einfach einen anderen > Verstärker einsetzten ohne die Eigenschaften meines Verstärkers > verstanden zu haben. Das ist ja sehr löblich, dass Du verstehen willst und das finde ich auch gut. Wenn Du Dir die Mühe einmal machst und Dein Design mit dem von Wenzel vergleichst, dann wirst Du schnell feststellen dass beide Designs eine ähnliche Topologie verfolgen. Der Wenzel nimmt nur gegenüber Deinem Design die DC-Komponente mit und stabilisiert damit die Arbeitspunkte gegen Umwelteinflüsse. Außerdem ist sie sehr viel nieder-ohmiger dimensioniert, was aus Rauschgründen gemacht wurde und es verwendet 2 (wir haben bis 4 probiert und kamen dann auf 0.4nV/SQRT(Hz)) parallel geschaltete FETs. Außerdem ist die Rückkopplung des OPVs als Integrator ausgelegt also mit dem Ziel "Ausregelung auf 0 (ohne bleibende Regelabweichung)) Da FETs sehr stark in ihren Steilheitswerten schwanken haben wir die FETs nach Steilheit selektiert und paarweise verbaut. Hier ist ein sehr genaues Studium der Datenblätter norwendig und "leider auch Erfahrung" um den richtigen FET auszusuchen. Der 2SK369 ist alt, aber bekannt für seine Rauscharmut. Also: mein Credo ist nicht einfach einen anderen Verstärker einzusetzen, sondern zu verstehen wo der Unterscheied eines Design von einem offensichtlichen Profi zu einem der lernt liegt und was man aus dem professionellen Design als Anregungen für den eigenen Entwurf mitnehmen kann. Ist das so akzeptabel ? EMU
Wie bereits mehrfach erwähnt, bin ich nicht der Meinung, dass der Wenzel Verstärker frei von Gain Variationen ist. Ich lasse mich aber gerne eines besseren belehren. Es ist mir bewusst, dass der Wenzel in vielen Hinsichten besser ist als meiner. Ich möchte ihn aber nicht einfach nach dem Motto kopieren: Der Beste wird bestimmt gut genug sein!
Tom schrieb: > für einen Sensor mit hoher Ausgangsimpedanz benötige ich einen > Verstärker mit geringem Rauschen. Es gibt einen wenige Tage alten Thread dazu. Schau Dir mal alles an. Beitrag "Re: Parallelschalten von Halbleitern für kleines Rauschen" Wenn es kein einzelnes IC, wie der LT1115 sein soll, sondern eine JFET-Vorstufe, dann sollte man an so etwas denken. Beitrag "Re: Parallelschalten von Halbleitern für kleines Rauschen" Als rauscharmen JFET kannst Du den BF862 nehmen (Conrad 0,46€) und in der Kaskode den BC550. mfg klaus
Klaus R. schrieb: > Es gibt einen wenige Tage alten Thread dazu. Schau Dir mal alles an. > Beitrag "Re: Parallelschalten von Halbleitern für kleines Rauschen" > mfg klaus Das bringt überhaupt nichts. Hier geht es nicht darum ein möglichst geringes Spannungsrauschen auf kosten eines exorbitanten Stromrauschens zu erzielen, sondern der liebe Themaersteller sucht eine optimale Lösung für seinen Quellwiderstand und die wurde ihm auch schon genannt. Lurchi schrieb: > ... > Ein Problem ist ggf. das viele Datenblätter bei den JFETs keine Angaben > zum Stromrauschen machen. Ein paar grobe Kurven findet man bei 2SK170 / > 2SK117 - die sollte auch bei 100 kHz noch ganz gut sein. Jedenfalls sind > da Noise figure Werte deutlich unter 1 dB angegeben - also schon mal > deutlich unter dem Eigenrauschen der Quelle. > ... Bei OPVs mit JFETs ist das Stromrauschen deshalb so klein, weil durch den hochohmigen JFET-Eingang mit sehr kleinen BIAS-Strömen durch die JFETs gearbeitet werden kann. Deshalb haben die JFET-OPVs auch alle ein so großes Spannungsrauschen. Bei OPVs mit BJT-Eingangstransistoren haben alle hohe BIAS-Ströme und hohes Stromrauschen dafür fantastisch kleine Spannunsrauschwerte. Nur mal so nebenbei. Ich sag es wiederholt: Urausch + Irausch = const Man kann also für super niedriges Spannungsrauschen optimieren, das ist total prima, wenn die Quellimpedanz klein ist, was häufig der Fall ist. Hier ist die Quellimpedanz aber enorm hoch mit 10 KOhm und daher eine Optimierung auf ein optimales Verhältnis von Spannungs- zu Stromrauschen notwendig. Ich behaupte und Wette, daß Du keine Lösung findest die weniger rauscht als ein LT1677 (alternative LT6202). Da kannst Du davorschalten was Du möchtest. Setzt natürlich voraus, daß Deine Qullimpedanz von 10 KOhm stimmt.
Frank schrieb: > Ich sag es wiederholt: Urausch + Irausch = const Wenn schon dann sollte man Urausch * Irausch betrachten. Da gibt es Grenzen die man nicht so leicht unterbieten kann. Allerdings ist die Grenze von der Technologie abhängig und liegt für Silizium JFETs um einiges niedriger als für Silizium BJTs. Es stimmt schon dass OPs mit JFETs in der Regel mehr Spannungsrauschen als welche mit BJTs haben stimmt schon, das ist aber vor allem eine Frage der Auslegung und Auswahl. OPs auf JFETs können z.B. schon vom Rauschen besser werden als etwa ein LT1012 und dann gleichzeitig kleineres Spannungsrauschen und kleineres Stromrauschen erreichen. JFETs wie etwa die oben schon genannten 2SK369 oder BF862 liegen bei etwa 1-5 mA irgendwo bei knapp unter 1 nV/Sqrt(Hz) und wohl unter 10 fA/Sqrt(Hz) damit ist man etwa beim Spannungsrauschen der besten OPs aber mit einem Stromrauschen das gut einen Faktor 100 drunter liegt. Die Verstärkerschaltung oben begrenzt die Verstärkung am OP. Dadurch ist die Reserve für die Rückkopplung relativ klein und die Steilheit des FETs hat noch einen kleinen Einfluss. Den Effekt könnte man reduzieren indem man die Schleifenverstärkung vergrößert. Das dürfte einfacher werden, wenn man dabei nicht so streng nach AC und DC unterscheidet. Je nach Auslegung des Verstärkers muss man ggf. die FETs selektieren, oder den DC Arbeitspunkt individuell einstellen, um DC mäßig einen vernünftigen Arbeitspunkt zu erreichen. Mit genügender Schleifenverstärkung wird es dann praktisch unabhängig von der Steilheit des FETs.
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