Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Welcher OpAmp für rauscharmen Anti-Aliasingfilter


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von Timo N. (timon17)


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Für ein Anti-Aliasing-Tiefpassfilter (3. Ordnung)habe ich einen 
Prototypen gebaut, der bereits hier[1] diskutiert wurde. Im Prototypen 
habe schließlich zum Testen zunächst einen LT741 verwendet.
Nun möchte ich aber noch einmal genauer auf die Auswahl des Op Amps 
eingehen.

Zunächst die harten Fakten:
-Versorgungsspannung: +/- 12 V
-Grenzfrequenz des Filters: f_c =4 kHz [/math]
- Gain Passband: G=1
-Maximalamplitude der Signale: +/-10V, meistens aber deutlich kleiner
-Das Eingangssignal kommt vom Ausgang eines Vorverstärkers (SSM2019)
-Das Ausgangssignal geht an einen ADC

Laut Literatur[2] sind die beiden entscheidenen Parameter für 
grundsätzliche Funktion des OpAmps GBWP
 und Slew Rate:
. Ich brauche also einen OpAmp mit
und einer Slew Rate
.

Jetzt hätte ich gerne noch ein möglichst geringes Rauschen der Schaltung 
(laut[1] aufgrund der Größe der Widerstände ein OpAmp mit geringem 
Stromrauschen) und einen geringen Stromverbrauch, da das System über 
Batterie betrieben wird. Ich bin mit der Auswahl überfordert, welcher 
OpAmp ist hier gut geeignet?


[1] Beitrag "OpAmp AD797 in Filterschaltung instabil"
[2] http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/adn003.pdf

: Bearbeitet durch User
von Lurchi (Gast)


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Die Wahl des OPs ist ein Kompromiss aus Spannungsrauschen, Stromrauschen 
und Stromverbraucht. Eine gute Wahl wären etwa OP1177, OPA145, OPA141 
und mit etwas kleineren Widerständen auch ein OPA209.

Ggf. wird das Rauschen sowieso vom Eingangsverstärker bestimmt. D.h. man 
muss es nicht übertreiben.

von THOR (Gast)


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Lurchi schrieb:
> Ggf. wird das Rauschen sowieso vom Eingangsverstärker bestimmt.

Nicht nur gegebenenfalls sondern ganz sicher.

von Harald W. (wilhelms)


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Lurchi schrieb:

> Die Wahl des OPs ist ein Kompromiss aus Spannungsrauschen, Stromrauschen
> und Stromverbraucht.

ACK. Aber wenn man einen 50 Jahre alten OPV verwendet, muss man
sich nicht über schlechte Daten wundern. Selbst die von Dir
zitierten OPVs, die kaum jünger sind, haben da wohl schon sehr
viel bessere Daten.

von Peter D. (peda)


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Timo N. schrieb:
> Im Prototypen
> habe schließlich zum Testen zunächst einen LT741 verwendet.

Teste mal einige Minuten lang, bis sich C8 aufgeladen hat.
OPV-Eingänge brauchen immer einen Gleichstrompfad für den Biasstrom.

von Gogo (Gast)


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Ich nutze die Filterwizards vom Hersteller. Der spuckt dann auch die 
richtigen OPVs aus in Abhängigkeit von der Anwendung(Raushen/niedriger 
Stromvrebrauch usw.)

Für niedriges Rauschen schlägt der 
http://www.analog.com/designtools/en/filterwizard/  LT1007 z.B. vor. 
Probier es mal aus.

Grüße

von Gogo (Gast)


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Ist das tatsächlich ein Filter 3.Ordung?Dachte müssen dann mindestens 2 
OPVs sein(Sallen/Key, kaskadiert). ISt die gängiste Art und Weise aktive 
Filter zu entwerfen, so meine Recherche.

Gibt es einen Grund für deine Vorgehensweise bzw. wie gehst du denn 
überhaupt vor beim Entwurf?

von Lurchi (Gast)


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Abgesehen von C8 ist das ein Tiefpass 3. Ordnung. C8 wurde wohl von Hand 
als AC Kopplung davor gemacht und prompt der DC Pfad vergessen.
Es gibt auch Varianten für einen einen Filter 4. bzw. 5. Ordnung mit nur 
1 OP. Die stellen aber mehr Anforderungen an den OP und sind nicht 
sonderlich beliebt.

Der LT1007 wäre wie der OP27 eine klassische Lösung, ist aber nicht 
unbedingt die 1. Wahl bei Batteriebetrieb.
Auf den Ausgang bezogen rauscht der SSM2019 wohl auch schon einiges 
mehr.

Bei einem 4 kHz Filter stellt sich die Frage nach der Anwendung: Für 
Hifi Audio reicht es nicht, und für AM Radio ist die Zeit eigentlich 
abgelaufen. Viele ADCs für den Audio Bereich sind auch Sigma delta 
Wandler und benötigen keinen solchen AA filter und +-10 V Amplitude für 
einen ADC machen eigentlich auch keinen Sinn.

von Peter D. (peda)


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Timo N. schrieb:
> -Maximalamplitude der Signale: +/-10V

Das ist schonmal das k.o. für Batteriebetrieb, da nimmt man besser 3,3V 
VCC und max +/-1V.
Bis 5V ist auch die Auswahl an sparsamen OPVs viel größer, als für die 
klassischen 36V-Typen.

von Gogo (Gast)


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Lurchi schrieb:
> Sigma delta
> Wandler und benötigen keinen solchen AA filter und

Sicher? Ist das nicht ein weit verbreiteter Irrglaube?

von Gogo (Gast)


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Oder war die Anmerkung bezogen auf aktive Filter, weil diese beim AAF 
halt wegen der hohen internen Abtastrate relativ schlank und passiv 
ausgeführt werden?

von Harald W. (wilhelms)


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Gogo schrieb:

>> Sigma delta
>> Wandler und benötigen keinen solchen AA filter und
>
> Sicher? Ist das nicht ein weit verbreiteter Irrglaube?

Anti-Aliasingfilter braucht man nur bei abtastenden Wandlern,
z.B. solchen mit stufenweiser Annäherung (Auf Wunsch kann
ich das auch ins englische übersetzen).

von THOR (Gast)


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Harald W. schrieb:
> Gogo schrieb:
>
>>> Sigma delta
>>> Wandler und benötigen keinen solchen AA filter und
>>
>> Sicher? Ist das nicht ein weit verbreiteter Irrglaube?
>
> Anti-Aliasingfilter braucht man nur bei abtastenden Wandlern,
> z.B. solchen mit stufenweiser Annäherung (Auf Wunsch kann
> ich das auch ins englische übersetzen).

Sigma Delta tastet auch ab, nur viel schneller. Praktisch eingebautes 
Oversampling. Da kann der AAF kleiner ausfallen (z.B. nur RC Glied), 
aber wenn man ihn weglässt hat man Aliasing.

Der Integrator am Eingang eines SD ist Teil der Regelschleife und stellt 
keinen Tiefpass im Sinne des AAF dar.

Siehe:
http://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/using-sigma-delta-converters-1.html

von Timo N. (timon17)


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Lurchi schrieb:
> Abgesehen von C8 ist das ein Tiefpass 3. Ordnung. C8 wurde wohl
> von Hand
> als AC Kopplung davor gemacht und prompt der DC Pfad vergessen.
Korrekt, so war es! Im Prototypen war C8 bisher auch tatsächlich noch 
nicht verbaut, den hatte ich nur für die AC Kopplung schon im Schaltbild 
hinzugefügt, insofern war das Schatbild irreführend. Was mir noch nicht 
ganz klar ist: Wie kann ich den DC-Pfad hinzufügen, ohne die 
Charakteristik des Filters zu beeinflussen? Ich bin leider noch Neuling, 
was die Elektronik angeht, deswegen diese vermeintlich dumme Frage.


> Der LT1007 wäre wie der OP27 eine klassische Lösung, ist aber nicht
> unbedingt die 1. Wahl bei Batteriebetrieb.
> Auf den Ausgang bezogen rauscht der SSM2019 wohl auch schon einiges
> mehr.
Ok.

> Bei einem 4 kHz Filter stellt sich die Frage nach der Anwendung: Für
> Hifi Audio reicht es nicht, und für AM Radio ist die Zeit eigentlich
> abgelaufen. Viele ADCs für den Audio Bereich sind auch Sigma delta
> Wandler und benötigen keinen solchen AA filter und +-10 V Amplitude für
> einen ADC machen eigentlich auch keinen Sinn.

Anwendung: Messungen von Druckschwankungen in einer Strömung. Die 
relevanten Frequenzen sind kleiner 4 kHz. Der ADC sind SAR-ADC, kein 
Delta-Sigma, daher das AA-Filter. Delta-Sigma wäre deutlich eleganter 
aufgrund der Anforderungen an das Filter. die ADC sind aber von National 
Instruments und da gibt es keine Delta-Sigma-Module mit der Kanalanzahl, 
die benötigt wird)

von Lurchi (Gast)


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Den DC Pfad kann man einfach mit einem Widerstand von hinter C8 zur 
Masse hinzufügen. Die untere Grenzfrequenz richtet sich dann nach C8 und 
dem extra Widerstand. Wenn man damit zu dicht an die Grenzfrequenz ran 
kommt wird es komplizierter und das ganze wird zu einer Art 
unsymmetrischem Bandpass. Je nach Bias des OPs muss man den Widerstand 
wählen.

Der SSM2019 braucht auch schon recht viel Strom und hat bezogen auf den 
Ausgang schon recht viel Rauschen. Super Rauscharm muss man also nicht 
haben und beim Stromverbrauch ist auch nicht mehr viel zu gewinnen. Je 
nach Verstärkung an Eingang sollte man also etwa unter 20 nV/Sqrt(Hz) 
und etwa 1-2 mA bleiben. Da hat man viel Auswahl. Gute Lösungen schaffen 
etwa 3 nV/Sqrt(Hz) mit 2-3 mA (OPA209, LT1007) oder etwas unter 10 
nV/Sqrt(Hz) mit rund 0.5 mA (OP1177, OPA145).

Beim Mikrofon als Sensor ist noch die Frage ob ein dynamisches Mikrofon 
da die richtige Wahl ist. Ich hätte eher ein kleines Elektret-mikrofon 
gewählt, die sind oft reine Druckempfänger und stören die Umgebung nur 
wenig. Der Verstärker wäre da einfacher und i.A. sparsamer.

von Timo N. (timon17)


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Lurchi schrieb:
> Den DC Pfad kann man einfach mit einem Widerstand von hinter C8
> zur
> Masse hinzufügen. Die untere Grenzfrequenz richtet sich dann nach C8 und
> dem extra Widerstand. Wenn man damit zu dicht an die Grenzfrequenz ran
> kommt wird es komplizierter und das ganze wird zu einer Art
> unsymmetrischem Bandpass. Je nach Bias des OPs muss man den Widerstand
> wählen.

Ich dachte ich hätte das schon probiert in der Simulation, aber 
funktioniert,danke.

> Der SSM2019 braucht auch schon recht viel Strom und hat bezogen auf den
> Ausgang schon recht viel Rauschen. Super Rauscharm muss man also nicht
> haben und beim Stromverbrauch ist auch nicht mehr viel zu gewinnen. Je
> nach Verstärkung an Eingang sollte man also etwa unter 20 nV/Sqrt(Hz)
> und etwa 1-2 mA bleiben. Da hat man viel Auswahl. Gute Lösungen schaffen
> etwa 3 nV/Sqrt(Hz) mit 2-3 mA (OPA209, LT1007) oder etwas unter 10
> nV/Sqrt(Hz) mit rund 0.5 mA (OP1177, OPA145).

Besten Dank für die Einordnung, das sind so Dinge für die ich noch kein 
Gefühl habe.

> Beim Mikrofon als Sensor ist noch die Frage ob ein dynamisches Mikrofon
> da die richtige Wahl ist. Ich hätte eher ein kleines Elektret-mikrofon
> gewählt, die sind oft reine Druckempfänger und stören die Umgebung nur
> wenig. Der Verstärker wäre da einfacher und i.A. sparsamer.

Die Sensoren sind Elektretmikrofone. SSM2019 hatte ich gewählt, wegen 
der einfachen Beschaltung (=> geringer Platzbedarf) und weil er laut 
Datenblatt rauscharm ist.

von ArnoR (Gast)


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Es geht wohl um diesen Vorverstärker mit SSM2019:

Beitrag "Vorverstärker für Elektretmikrofone mit SSM2019"

von Gogo (Gast)


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Timo N. schrieb:
> Anwendung: Messungen von Druckschwankungen in einer Strömung. Die
> relevanten Frequenzen sind kleiner 4 kHz. Der ADC sind SAR-ADC, kein
> Delta-Sigma, daher das AA-Filter. Delta-Sigma wäre deutlich eleganter
> aufgrund der Anforderungen an das Filter. die ADC sind aber von National
> Instruments und da gibt es keine Delta-Sigma-Module mit der Kanalanzahl,
> die benötigt wird)

Hätte noch einen Vorschlag:

Guck dich mal nach Cypress PSoC 3/5 um. Die bringen einen mit und kosten 
soviel wie ein ADC(je nach Ausführung). Bzw. Du sparst Dir den Mux, ist 
ein ganz heißes Teil und Du kannst noch digital die Signale 
nachbearbeiten.

von Gogo (Gast)


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Und Du sparst Dir dieses ganze Geraffel für den AAF. Ich glaube, der 
könnte eine Alternative sein zu diesem ganzen Schlamassel;-)

von Lurchi (Gast)


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Man könnte ggf. einfach mit dem Mikrofon direkt an die Soundkarte zum PC 
- Das spart einem dann auch gleich die Programmierung und Platine für 
den PsoC. So ein großer Chip taugt auch ganz gut als Bremsklotz.

von Gogo (Gast)


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Lurchi schrieb:
> Man könnte ggf. einfach mit dem Mikrofon direkt an die Soundkarte
> zum PC
> - Das spart einem dann auch gleich die Programmierung und Platine für
> den PsoC. So ein großer Chip taugt auch ganz gut als Bremsklotz.

Stimmt, Problem gelöst;-)

von Gogo (Gast)


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Lurchi schrieb:
> So ein großer Chip taugt auch ganz gut als Bremsklotz.

Kommt drauf an. Kann man durchaus auch für einfache Messaufgaben nehmen.

@TO:
Meine Annahme war im übrigen, dass Du mehrere Kanäle messen willst. Weiß 
auch nicht wie ich drauf komme;-)

von Gogo (Gast)


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Timo N. schrieb:
> die ADC sind aber von National
> Instruments und da gibt es keine Delta-Sigma-Module mit der Kanalanzahl,
> die benötigt wird)

Achf ja hier habe ich es wieder...

von Gogo (Gast)


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Timo N. schrieb:
> Die
> relevanten Frequenzen sind kleiner 4 kHz.

Definier mal genau das Passband und die Anzahl der Kanäle. Dann kann ich 
Dir sogar sagen, wie Dein Filter aussehen muss(und sogar die maximal 
mögliche Auflösung).

BTW:
ein paar kHz sind sicherlich mit dem PSoC drin.

Bsp. (grad nachgeschaut)
*12-bit Auflösung
*Abtastrate ADC(real)bis zu 41234SPS sind möglich.
*Abtastrate ADC(intern),da DeltaSigma 6,143MHZ SPS

So kannst Du bequem dein AAF passiv auslegen(F/2 ~3MHz).

Die Abtastrate des ADC einfach durch Kanalanzahl, dann weißt du, was Du 
tatsächlich abtasten kannst und wie hoch deine max. Signalfrequenz sein 
darf. Aliasing scheint Dir ja ein Begriff zu sein.

von Gogo (Gast)


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Gogo schrieb:
> Bsp. (grad nachgeschaut)
> *12-bit Auflösung

Der DelSig bei den PSoC kann sogar bis 20-bit im Übrigen.
Das war jetzt nur ein Beispiel.

Bin im Übrigen kein Cypress Vertreter. Arbeite mit denen Dingern zurzeit 
sehr oft. Auch privat.

von Gogo (Gast)


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Lurchi schrieb:
> Man könnte ggf. einfach mit dem Mikrofon direkt an die Soundkarte zum PC
> - Das spart einem dann auch gleich die Programmierung und Platine für
> den PsoC. So ein großer Chip taugt auch ganz gut als Bremsklotz.

Habe jetzt wohl diesen T gekapert;-)

Äh, einen Rechner musst Du erstmal da stehen haben. Wir wissen ja nicht 
was der TO da zur Verfügung hat. Glaub das ist ironisch gemeint, oder?
Auch wenn die Soundkarten viel können. Für Messaufgaben auf 
professionellem Niveau wäre das imho nix.

von Harald W. (wilhelms)


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Gogo schrieb:

> Aliasing scheint Dir ja ein Begriff zu sein.

Was viele nicht wissen: Aliasing kann man nicht durch
Digitale Filter verhindern. Gefiltert werden muss immer
vor dem (abtastenden) AD-Wandler.

von Manfred (Gast)


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Lurchi schrieb:
> wie der OP27 eine klassische Lösung,
Vom Rauschen her ist der NE5534 besser als ein OP27.

von Gogo (Gast)


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Harald W. schrieb:
> Gogo schrieb:
>
>> Aliasing scheint Dir ja ein Begriff zu sein.
>
> Was viele nicht wissen: Aliasing kann man nicht durch
> Digitale Filter verhindern. Gefiltert werden muss immer
> vor dem (abtastenden) AD-Wandler.

Sollte man sich klar machen, richtig.

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