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Mikrophonverstärker mit Anhebung um 12 dB/Oktave. Meine Versuche mit aus diskreten Transistoren aufgebauten Verstärker haben bei einem vorgegebenen Spannungshub von 3,3 Volt keine brauchbare THD ergeben. Da der vorgesehene ADC ein differentielles Signal erwartet, lag es nahe FDAs für die gesamte Schaltung einzusetzen. Da ich mit FDAs keine Erfahrung habe, hier die Bitte um Review. Vorschläge und Kritik sind willkommen. Anmerkungen zum Design: 1. Das Mikrofon dient zur Detektierung von Ultraschallsignalen bis ca. 150 kHz. 2. Der Hersteller gibt Rs mit 4kOhm bis 6,8kOhm an. Dieser Widerstand macht eine Impedanzanpassung vor dem Hochpass erforderlich. 3. Das DC-Offset des Mikrophonsignals (ca. 0,4 Volt) ergibt sich bei einer Spannungsversorgung des Mikros mit ca. 1,3 Volt. 4. Die Dimensionierung beider Tiefpässe sind dem Datenblatt des ADC ADS127L01 von TI entnommen. 5. Vorgesehene Spannungsversorgung: 3,3 Volt
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Der Aufwand erscheint mir übertrieben. Es reicht völlig, die asymm Quelle durch einen asym, d.h. einkanaligen Filterverstärker zu schicken und erst ganz am Schluß einen FDA zu platzieren der das symm ADC-Signal liefert. Das würde den Filter schon mal erheblich vereinfachen.
Mark S. schrieb: > Der Aufwand erscheint mir übertrieben. Grundsätzlich wäre ich froh um jeden FDA, der sich einsparen lässt. Der HP wäre so ein Kandidat, allerdings beträgt das benötigte GBW 500 MHz (36 dB Verstärkung bei 80 kHz). Der LTC6363 schafft das gut, bei nicht-differentiellen OpAmps bin ich in dieser Region nicht so recht fündig geworden.
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Mark S. schrieb: > Es reicht völlig, die asymm Quelle durch einen asym, d.h. einkanaligen > Filterverstärker zu schicken und erst ganz am Schluß einen FDA zu > platzieren der das symm ADC-Signal liefert. Danke für den Hinweis, den ersten OpAmp zur Impedanzanpassung habe ich entsprechend ersetzt. Wenn ich das mit dem Hochpass versuche, schaffe ich in der Simulation die vom ADC erwartete Dämpfung auf -100dB bei 16 MHz nicht mehr, das Biasing gestaltet sich deutlich schwieriger und das Rauschen nimmt zu.
Das Mikrofon als Signalquelle hat nur wenig Amplitude bei hohen
Frequenzen. Entsprechend muss der AA filter bei 16 MHz keine so hohe
Dämpfung haben. Vermutlich würde da auch schon die Hälfte ausreichen. Im
> 10 MHz Bereich wäre im Zweifelsfall eine LC-Filter effektiver und
deutlich einfacher.
Das aktive Hochpassfilter ist schon für sich genommen problematisch.
Wenn es geht würde ich den vermeiden und die Hochpassfunktion durch
Koppelkondensatoren erreichen - ich glaube eher nicht dass man den
scharfen Übergang braucht, 2 Filter 1. Ordnung sollten ausreichen. Die
Kompensation des Frequenzganges des Mikrofons kann man vermutlich besser
digital machen - das Rauschen wird mit abnehmender Empfindlichkeit des
Mikrofons eher nicht mit kleiner. D.h für den dynamischen Bereich
braucht man das Filter nicht.
So viel Gain sollte eigentlich nicht nötig sein. Es reicht eigentlich
aus, wenn das Rauschen des ADCs und Eingangsverstärkers deutlich unter
dem Rauschen des Mikrofons selber liegt. Einen kleinen Teil des Gains
könnte ggf. der Treiber am ADC übernehmen. Bei einem 24 Bit ADC ist da
eigentlich nicht mehr viel Gain nötig um das Rauschlimit zu erreichen.
Nicht umsonst braucht man schon als Puffer Rauscharme OPs.
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Lurchi schrieb: > Das Mikrofon als Signalquelle hat nur wenig Amplitude bei hohen > Frequenzen. Entsprechend muss der AA filter bei 16 MHz keine so hohe > Dämpfung haben. Das ist sicher richtig... > Vermutlich würde da auch schon die Hälfte ausreichen. Im > > 10 MHz Bereich wäre im Zweifelsfall eine LC-Filter effektiver und > deutlich einfacher. Auch das stimmt sicherlich. Vor allem aber würde ich mir überlegen, ob es nicht auch ein bezüglich Anti-Aliasing Filter viel unkritischerer ADC Typ tun würde, wie z.B. ein Delta-Sigma ADC. Für die reicht normalerweise ein RC-Tiefpaß erster Ordnung dafür. Mögliche Kandidaten wären z.B.: AD7760: 24 Bit / 2,5MSPS (Analog Devices) ADS1672: 24 Bit / 625kSPS (Ti) > Die Kompensation des Frequenzganges des Mikrofons kann man vermutlich besser > digital machen - das Rauschen wird mit abnehmender Empfindlichkeit des > Mikrofons eher nicht mit kleiner. D.h für den dynamischen Bereich > braucht man das Filter nicht. Doch, genau das ist der Fall: Das Rauschen der Mikrofonkapsel wird mit zunehmender Frequenz, praktisch gleichlaufend mit der Mikrofonempfindlichkeit, ebenfalls kleiner. Ich zitiere mal aus der Application Note 17 des Mikrofonherstellers Knowles:
1 | Although the sensitivity of these microphones is decreasing with frequency above 10kHz, the self-noise is also decreasing so that even at 100kHz the signal-to-noise ratio is high. By taking these response curves into account one can design an amplifier with bandpass characteristics appropriate for the application to maximize signal quality and performance. |
(Siehe auch die angehängte Grafik aus besagter AppNote 17) Hier gibts die ganze AppNote: http://www.knowles.com/eng/content/download/2818/32917/version/8/file/AN-17-Issue01.pdf Ich würde also unbedingt versuchen, den Mikrofonfrequenzgang zumindest grob analog vor dem ADC zu korrigieren, um das mögliche an SNR zu erreichen und nicht unnötig ADC Auflösung zu verschenken. Gruß, Thorsten
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Thorsten S. schrieb: > Für die reicht normalerweise ein RC-Tiefpaß erster Ordnung dafür. > Mögliche Kandidaten wären z.B.: > AD7760: 24 Bit / 2,5MSPS (Analog Devices) > ADS1672: 24 Bit / 625kSPS (Ti) Hallo Thorsten, was ist bei den beiden oben genannten Typen anders als beim ADS127L01? Muss ich nicht in jedem Fall dafür sorgen, das bei Fmod das Signal soweit gedämpft wird, dass Aliasing keine Rolle mehr spielt? (Nur ganz nebenbei - der ADS127L01 läuft charmanterweise bereits mit 3.3 Volt)
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Burkhard K. schrieb: > Hallo Thorsten, was ist bei den beiden oben genannten Typen anders als > beim ADS127L01? Muss ich nicht in jedem Fall dafür sorgen, das bei Fmod > das Signal soweit gedämpft wird, dass Aliasing keine Rolle mehr spielt? Ähm ja. Hast natürlich recht. Irgendwie hab ich den ADC Typ in deinem Beitrag überlesen und ging bei dem Filteraufwand davon aus, daß du einen SAR ADC verwenden wolltest... Deine Designvorgabe, mit einer einfachen 3,3V Versorgung auskommen zu wollen, verkompliziert die Sache natürlich, insbesonsere die Bsuteilauswahl. Wozu genau soll das Mikrofon dienen? Willst du technischen Ultraschall aufnehmen oder Fledermauslaute? Eher in einer Laborumgebung oder draußen im Feld? Für einen Einsatz im Feld würde ich unbedingt die untere Grenzfrequenz beschränken, sonst macht der kleinste Windhauch am Mikro große Probleme und auch Umgebungsgeräusche stören erheblich, da sie im Frequenzbereich unter 1kHz oft sehr viel lauter als die Ultraschallsignale am Mikro ankommen. Zumindest würde ich den Koppel-C am Mikro von 4u7 in den nF Bereich verkleinern...
Thorsten S. schrieb: > Zumindest würde ich den Koppel-C am Mikro von 4u7 in den nF Bereich > verkleinern... Danke für den Hinweis, 470 pF reichen tatsächlich (12 kHz ist für mich persönlich bereits Ultraschall) - es geht mir tatsächlich um Ultraschallsignale aus natürlichen Quellen. 3,3 Volt deshalb, weil ich die Signal-Verarbeitungskette (Ringmischer + Zeitdehnung) bereits auf einem FPGA-Basisboard habe und damit erstmal weiterentwickeln will. Ein ADS127L01 Eval-Board habe ich bereits. Meine ersten Versuche hatte ich mit einem 12bit-ADC Pmod und einem gekauften Mikro+Headstage (Dodotronic) mit 3.3V-Ausgang unternommen, beides konnte ich einfach auf einen Pmod-Port des Boards stecken. Dass die Dynamik nicht reicht, ist auf der angehängten Aufnahme (Zwergfledermaus?, ab 10. Sekunde in 20facher Zeitdehnung) nicht zu überhören - inzwischen ist mir das Mikro weggestorben und nicht mehr erhältlich - daher jetzt meine Versuche mit dem FG-23629.
Statt den Koppelkondensator so klein zu machen, sollte man auch die Widerstände etwas kleiner machen. Der LT6202 ist für so hochohmige Signale nicht wirklich Rauscharm - der ist mehr für Quellimpedanzen im 1-5 kOhm Bereich. Schon so wird es bei tiefen Frequenzen zusätzliches Rauschen geben. Der Abfall der Empfindlichkeit entspricht mehr einem Tiefpass 1. Ordnung. Da muss man also nicht mehr kompensieren als verloren geht.
Burkhard K. schrieb: > 3,3 Volt deshalb, weil ich die Signal-Verarbeitungskette (Ringmischer + > Zeitdehnung) bereits auf einem FPGA-Basisboard habe und damit erstmal > weiterentwickeln will. Ein ADS127L01 Eval-Board habe ich bereits. Ah, ok. Das ist natürlich ein Grund, wenn man nicht die komplette Schaltung selbst entwickelt, sondern teilweise auf fertige Baugruppen zurückgreift. Ich würde vermutlich dennoch darüber nachdenken, die Analogstufen mit +/-3,3V zu versorgen, die -3,3V lassen sich recht unproblematisch mit 'nem invertierenden Schaltregler machen. Muß man nur ein wenig aufpassen mit eventuellen Störeinstrahlungen. Sollte aber kein großes Problem sein, auf dem FPGA Basisbord werden ja ebenfalls schon Schaltregler werkeln... > Meine ersten Versuche hatte ich mit einem 12bit-ADC Pmod und einem > gekauften Mikro+Headstage (Dodotronic) mit 3.3V-Ausgang unternommen, > beides konnte ich einfach auf einen Pmod-Port des Boards stecken. Ist doch kein schlechter Einstieg... > Dass die Dynamik nicht reicht, ist auf der angehängten Aufnahme > (Zwergfledermaus?, ab 10. Sekunde in 20facher Zeitdehnung) nicht zu > überhören - inzwischen ist mir das Mikro weggestorben und nicht mehr > erhältlich - daher jetzt meine Versuche mit dem FG-23629. Jo, da muß man bei nur 12 Bit den Pegel zurücknehmen. Ich sehe in einem 24 Bit Wandler auch mehr den Dynamikvorteil, denn wirklich die nutzbare Auflösung. Deine Aufnahme ist ganz interessant, da sind mindestens zwei unterschiedliche Arten drauf, vermutlich 3 verschiedene... Auch erscheinen alle Rufe mit einem extrem starken Echo, hast Du die Aufnahme wenige Meter vor einer Wand gemacht? Kann das gerade nicht anhören, muß ich zu Hause mal tun. Das gestorbene Mikro ... laß mich mal raten: ein Knowles SPM0204UD5 Die sind ziemlich gut, sehr empfindlich, leider allerdings auch gegen Wasser. Ein Tropfen drauf und das Teil ist hin. Ich habe davon noch ein paar, hab mir glücklicherweise rechtzeitig noch ein welche hingelegt... Die MEMS Ersatztypen, die Knowles jetzt für Ultraschall anbietet, sind leider Backside-Typen mit Port durch die Leiterplatte und auch nicht so empfindlich für höhere Frequenzen... Von den einigermaßen erschwinglichen Mikros ist das FG-23629 wohl momentan das beste für Ultraschall. Wird in ziemlich vielen professionellen Detektoren und Loggern verwendet. Hat vor allem aufgrund der winzigen Abmessungen einen halbwegs glatten Frequenzgang... Ich hab auch mal mit Großmembran Mikros rumprobiert (Polaroid Transducer), die brauchen aber rund 200V Polarisationsspannung und haben eine frequenzabhängige Richtwirkung.
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