Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Operationsverstärker


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von Eric (Gast)


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Hallo liebes Forum,

ich habe mich seit einigen Monaten mit Operationsverstärkern, für meine 
Studienarbeit mit dem Thema einen Vorverstärker für das EMG zu 
entwerfen, auseinandergesetzt. Jetzt bin ich kurz davor meinen ersten 
Entwurf zu vervollständigen wobei ich noch ein paar offene Fragen habe:

Eine Beispielschaltung habe ich hier gefunden:

ModEEG:
http://openeeg.sourceforge.net/doc/modeeg/modEEGamp-v1.0.png

Ist zwar fürs EEG, es ist jedoch prinzipiell das gleiche.

Es gibt drei verschiedene Arten von Operationsverstärkern Bipolar, JFET 
und CMOS Verstärker, aber wozu zählt dieser?

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/opa4376.pdf

Könnte ich diesen als zweiten Verstärker nach dem hochpräzisen 
Vorverstärker verwenden? Denn laut Datenblatt ist dieser auch sehr 
Rauscharm und besitzt auch eine recht hohe Gleichtaktunterdrückung. Aber 
als Eingangsimpedanz ist nur eine Kapazität angegeben.

Meine zweite Frage, warum hat es in den letzten 20 Jahren keine 
signifikante Verbesserung in den Instrumentenverstärkern gegeben? Wenn 
ich den INA121 von 1998 und den INA828 von 2017 miteinander vergleiche 
hat sich einzig die Gleichtaktunterdrückung verbessert und der 
Eingangswiderstand ist sogar um eine 10er-Potenz geringer geworden.

Hier die beiden Datenblätter:

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ina111.pdf

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ina828.pdf


Mit freundlichen Grüßen,
Eric

von (º°)·´¯`·.¸¸.·´¯`·.¸¸.·´¯`·.¸¸.·´¯`·.¸¸.·´¯`·.¸¸.· (Gast)


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> Eingangswiderstand ist sogar um eine 10er-Potenz geringer geworden.

Vermutlich wegen der "billigen" Plastegehaeuse.

Ordentliche OPV stecken in einem Keramikgehaeuse oder
in hermetisch dichten Metallgehaeusen mit Glasdurchfuehrung.


Ich kenne aber noch EEG-Verstaerker die aus Doppeltrioden
gebaut wurden. Insoweit ist der Fortschritt schon beachtlich :-).

von udok (Gast)


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Der opa4376 ist ein CMOS opamp mit elektronischem Offsetabgleich,
wie jeder aus dem Datenblatt entnehmen kann.

Was soll der in deinem Anwendungsfall bringen?
Zumindest der Offset spielt da keine Rolle,
aber wenn er sonst passt, dann kannst du ihn natürlich verwenden.

Die letzten 20 Jahre wurde viel in Rail-to-Rail und Spannungen <= 5 Volt
investiert.
Ich glaube für deinen Anwendungsfall gibt es schon fix und fertige ICs
(Analog und TI).
Ein Kollege hat sowas schon vor ca 15 Jahren gebaut (und er war auch 
nicht
der erste).  Schon Literatur gesichtet?

von Eric (Gast)


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Hauptsächlich orientiere ich mich nach diesem Entwurf und den 
dazugehörigen Erklärungen:

https://www.elektronik-kompendium.de/public/schaerer/diffemg.htm

von udok (Gast)


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Das ist ja alles ganz nett, aber as einzige was dir da hilft
ist richtige Literatur aus der Uni-Bibliothek.

Schau dir mal den ADS1298 an, das ist ein IC für 8 Kanal EMG.

Soweit ich weiss, besteht die Kunst in der Nachbearbeitung
der Signale, da gibt es richtig hässliche Effekte, die
mit den Elektrodenpotentialen zusammenhängen.

Vielleicht kannst du auch die Servicemanuals von gängigen Geräten
bekommen, oder mal eins zerlgen?

von Purzel H. (hacky)


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Basierend auf dem geringen, resp marginalen Wissen wuerd ich empfehlen 
das Projekt sein zu lassen. Es waere ein Jammer jemanden zu Grillieren.

von Possetitjel (Gast)


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udok schrieb:

> Der opa4376 ist ein CMOS opamp mit elektronischem
> Offsetabgleich, wie jeder aus dem Datenblatt entnehmen kann.

Ahh, sehr erhellend.

Du kannst mir sicher leicht zeigen, wo im angehängten
Datenblatt steht, dass das ein CMOS-OPV ist. Ich habe
es nämlich nicht gefunden.

Vielen Dank im Voraus.

von Marcus H. (Firma: www.harerod.de) (lungfish) Benutzerseite


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Possetitjel schrieb:
> Du kannst mir sicher leicht zeigen, wo im angehängten
> Datenblatt steht, dass das ein CMOS-OPV ist. Ich habe
> es nämlich nicht gefunden.

nach "CMOS" suchen...
p17/42 8.1

;)

von Harald W. (wilhelms)


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Possetitjel schrieb:

> Du kannst mir sicher leicht zeigen, wo im angehängten
> Datenblatt steht, dass das ein CMOS-OPV ist.

Ziemlich versteckt Seite 17 steht MOS

von Possetitjel (Gast)


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Marcus H. schrieb:

> Possetitjel schrieb:
>> Du kannst mir sicher leicht zeigen, wo im angehängten
>> Datenblatt steht, dass das ein CMOS-OPV ist. Ich habe
>> es nämlich nicht gefunden.
>
> nach "CMOS" suchen...
> p17/42 8.1

Tatsächlich. Vielen Dank.

...

Wie KONNTE ich das nur übersehen, wo es doch klar und
deutlich für jedermann erkannbar auf Seite 17 in einem
Nebensatz erwähnt wird...

O tempora, o mores...

von Harald W. (wilhelms)


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Possetitjel schrieb:

> Wie KONNTE ich das nur übersehen, wo es doch klar und
> deutlich für jedermann erkannbar auf Seite 17 in einem
> Nebensatz erwähnt wird...

Mein Foxit-Reader hat ne Suchfunktion. :-)

von Eric (Gast)


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Ich wollte den ADS1299 nehmen.
Auf der Seite von Texas Instruments habe ich mir auch ein paar Papers 
angesehen. Eine der gängigen Varianten war es nur einen 
Instrumentenverstärker mit einen Verstärkungsfaktor von 4 oder 5 zu 
nehmen und dann nur einen Anti-Aliasingfilter dahinter. Aber dabei würde 
die weitere Hochpassfilterung nur ins digitale verschoben werden.

Momentan bin ich soweit, dass ich mich als ersten Vorverstärker für den 
INA828, dahinter zum Beispiel einen OPA376.
Danach ein SC-Tiefpassfilter mit einer Grenzfrequenz von 500Hz und einen 
Hochpassfilter 8.Ordnung mit einer Grenzfrequenz von 10 Hz. Das Signal 
soll daraufhin mit dem ADS1299 digitalisiert und mit Optokopplern 
übertragen werden.

Die Versorgungsspannung wird auch galvanisch gekoppelt sein, sodass 
niemand "gegrillt" wird.

von Eric (Gast)


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galvanisch getrennt

von Marcus H. (Firma: www.harerod.de) (lungfish) Benutzerseite


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Possetitjel schrieb:
> Wie KONNTE ich das nur übersehen, wo es doch klar und
> deutlich für jedermann erkannbar auf Seite 17 in einem
> Nebensatz erwähnt wird...

Tatsächlich gibt es, je nach Haupteinsatzgebiet für den OP, bestimmte 
Strukturen, die sich anbieten. Wenn also bei der projektbezogenen 
Parametersuche ein OP ins Auge sticht, wird das Datenblatt richtig 
gelesen. Und dann die Appnotes. Immer auf der Suche nach kleinen 
Detailinformationen, welche die Marketingabteilung "vergessen" hat, auf 
die erste Seite zu schreiben.

Wenn's richtig interessant wird, fragt man dann halt den FAE, den 
Hersteller oder dort den Entwickler. Man muss nur spannende Fragen 
stellen, dann zeigt die Gegenseite auch Interesse.

Die Auswahl eines Bausteins für eine nichttriviale Anwendung zieht sich 
schonmal ein wenig in die Länge. Sieht man dem fertigen Produkt nicht 
unbedingt an, warum der Entwickler da wieder Tage für gebraucht hat...

von Possetitjel (Gast)


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Marcus H. schrieb:

> Immer auf der Suche nach kleinen
> Detailinformationen, welche die Marketingabteilung
> "vergessen" hat, auf die erste Seite zu schreiben.

Ja.. ich weiss schon. Ist in gewissen Grenzen auch
nicht schlimm. Irgendwann wird's aber unverschämt.

Wenn z.B. in einem Datenblatt für einen Kleinsignal-
transistor weder Schaltzeiten noch Transitfrequenz
angegeben werden, dann frage ich mich schon ernsthaft,
warum ich dem Hersteller für die Entsorgung seines
Ausschusses auch noch Geld bieten soll.

Nur als Beispiel.

von udok (Gast)


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Eric schrieb:
> Momentan bin ich soweit, dass ich mich als ersten Vorverstärker für den
> INA828, dahinter zum Beispiel einen OPA376.
> Danach ein SC-Tiefpassfilter mit einer Grenzfrequenz von 500Hz und einen
> Hochpassfilter 8.Ordnung mit einer Grenzfrequenz von 10 Hz. Das Signal
> soll daraufhin mit dem ADS1299 digitalisiert und mit Optokopplern
> übertragen werden.

Wie viele Kanäle brauchst du denn?  Für >10 Kanäle klingt das ziemlich
albtraumhaft...

Der ADC im AD129x hat > 100 dB SNR, da brauchst du nicht mehr viel mehr 
als 20x Verstärkung.  Die Störer (50 Hz) sind eventuell stärker als die
eigentlichen Signale, vergiss einige Notchfilter bei 50hz, 100hz,.. 
nicht.
Ich würde mal davon ausgehen, dass die TI Ingenieure sich was dabei
gedacht haben, rede doch mal mit denen.  Normalerweise gibt es
auch Evalboards für den Kram.

Oder schau doch einfach die Diplomarbeiten der letzten 10 Jahre durch,
da gibt es sicher duzende Lösungsvorschläge...

Ich glaube irgendwannn mal gelesen zu haben, dass heute aktive Elktroden
der Stand der Technik sind, da sind die Kabellänge und damit die
Störungen minimal.

von Eric (Gast)


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Das Gerät soll mindestens 40 Kanäle besitzen. Mit ein paar Multiplexern 
und dem Adc komme ich dann auf die Kanalzahl

Was mich bei dem 24 Bit ADCs stört ist die hohe Datenmenge. Daher wollte 
ich lieber ein wenig mehr in die Hardware investieren um dann mit nur 14 
Bit Auflösung.

Das mit dem Notchfilter ist so eine Sache. Mein Betreuer würde nicht so 
gerne in der Signalverarbeitung sehen, sondern irgendwo bei der 
Versorgungsspannung. Den konnte ich aber leider noch nicht unterbringen.

Und die Elektroden macht eine Kommilitonin von mir. Es soll ein Array 
von Elektroden werden. Die durch vorheriges abmessen des Patienten 
gedruckt werden. Auch sind es dann, idealerweise für ihn, nur 
Trockenelektroden welche man wiederverwenden kann.

von Eric (Gast)


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Zur Not mache ich zwei Entwürfe. Einen wie ich es bis jetzt gemacht habe 
und einen in dem nur wenig verstärkt wird und nur der Tiefpass und der 
ADC mit der hohen Auflösung verwendet wird.
So wie in diesem Paper:

http://www.ti.com/lit/an/sbaa160a/sbaa160a.pdf

von udok (Gast)


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Nimm doch 5 von den AD1299, und die PCB ist in 3 Tagen fertig.

Die Datenrate ist ca. 40 Kanäle * 3 Bytes/Sample * 1000 Samples/sec =
120 kByte / sec.
Das geht locker über USB Full Speed, viel weniger wird es
mit 14 Bit / Sample nicht.

Der 50 Hz Notchfilter muss im Signalpfad sein, da der Netzbrumm
über die Elektroden reinkommt!

von Eric (Gast)


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Aber in diesem Entwurf auf Seite 7 ist auch keine Notchfilter zu sehen, 
nur ein Tiefpass mit einer Grenzfrequenz von 150 Hz:

http://www.ti.com/lit/an/sbaa160a/sbaa160a.pdf

von Andrew T. (marsufant)


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Eric schrieb:
> Aber in diesem Entwurf auf Seite 7 ist auch keine Notchfilter zu
> sehen,
> nur ein Tiefpass mit einer Grenzfrequenz von 150 Hz:
>
> http://www.ti.com/lit/an/sbaa160a/sbaa160a.pdf

Wenn Du dies Design in einem mit mehreren EMV Schrimen *) auf -100db 
abgeschrimten Raum betreibst, benötigst Du das Notchfilter nicht.

Aber da wir sehr selten solche Idealbedingugen haben: Solltest Du den 
obigen Hinweis von udok ernst nehmen.



*) 
https://www.baunetzwissen.de/sicherheitstechnik/objekte/sonderbauten/praezisionslabor-in-stuttgart-buesnau-3030907

von Purzel H. (hacky)


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Die Notchfilter sind bei einem vernuenftigen ADC schon drin. zB einem 
AD7799. Der macht 50 & 60Hz weg.
Und vergiss Optokoppler, die sind veraltet. Nimm magnetische Koppler, 
die sind schneller und ziehen weniger Strom. zB ADuM1400 und nachfolger.

von Dieter W. (dds5)


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Zwölf M. schrieb:
> Und vergiss Optokoppler, die sind veraltet. Nimm magnetische Koppler,
> die sind schneller und ziehen weniger Strom. zB ADuM1400 und nachfolger.

Das ist zwar im Prinzip richtig, die Dinger arbeiten aber intern mit 
Frequenzen von zum Teil mehreren 100MHz und brauchen sehr gute 
Abblockung.
Wenn die fehlt, breitet sich die HF unkontrolliert auf der LP aus.

von Eric (Gast)


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Ok, ihr habt mich überzeugt. Ich mach das mit dem ADS1299 mit einem 
Notchfilter. Sobald mein Entwurf fertig ist zeige ich euch den mal. Es 
kann aber möglicherweise 2 Wochen dauern, da ich nächste und übernächste 
Woche noch zwei Prüfungen habe.

von Eric (Gast)


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Hallo Forum,

meinen Schaltplan habe ich jetzt soweit fertiggestellt das es für einen 
Kanal funktionieren sollte. Zumindest das analoge Frontend.
Die Elektroden werden an die Anschlüsse X2 angeschlossen, ist erst mal 
nur provisorisch. Direkt dahinter folgen zwei pico-Amperedioden, welche 
bei Überspannung leitend werden und verhindern das an den 
Instrumentenverstärker (INA828) eine zu hohe Spannung anliegt. Der 
Instrumentenverstärker ist durch die beiden Widerstände so eingestellt, 
dass das eingehende Signal 20 fach verstärkt wird. Weiterhin ist als 
Bezugspotential die Driven Right Leg Elektrode auch an den INA 
angeschlossen. Danach folgt noch ein Tiefpass mit einer Grenzfrequenz 
von 500 Hz und ein Doppel-T-Notchfilter, wobei die Güte mit dem 
Widerstand R31 eingestellt werden kann.
Im unteren Bereich ist auch noch der Teil für die Versorgungsspannung 
(+-5V) zu sehen.
Könntet ihr euch das bitte mal angucken ob es so für eine EMG-Messung 
funktionieren kann wenn noch ein ADS1299 hinter geschaltet wird?

Grüße,
Eric

von Michael B. (laberkopp)


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Eric schrieb:
> meinen Schaltplan habe ich jetzt soweit fertiggestellt das es für einen
> Kanal funktionieren sollte.

Ich hate es für ausgeschlossen, daß es funktioniert, auch wenn deine 
selbst erfundenen Operationsverstärkersymbole nicht so klar zu 
durchschauen sind und grundlegende Gestaltungsrichtlinien von 
Schaltplänen, wie positive Spannungen oben und negativere unten, 
Eingänge links und Ausgänge rechts, missachtet werden.

Ausserdem reicht 1 Fehler, eine defekte Diode, um +5V oder -5V mit hoher 
Stromlieferfähigkeit an die Elektroden zu legen. Du solltest den 
Widerstand lieber vor die Dioden machen.

von Klaus R. (klara)


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Hallo Eric,
schon gesehen?

http://www.ti.com/lit/ug/slau443b/slau443b.pdf
mfg klaus

von Purzel H. (hacky)


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Pin 1 und Pin6 des INA 828 sind kurzgeschlossen. Auch wenn sie's nicht 
waeren macht ein Elko an einem opamp keinen Sinn.

: Bearbeitet durch User
von Eric (Gast)


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Ja, das EEG Front-End Performance Demonstration Kit habe ich schon 
gesehen.
Ich gucke mir diese Regeln an und werde es entsprechend ändern.

von Eric (Gast)


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>Pin 1 und Pin6 des INA 828 sind kurzgeschlossen. Auch wenn sie's nicht
>waeren macht ein Elko an einem opamp keinen Sinn.

Das mit dem Elko habe ich aus diesem Entwurf:

https://www.elektronik-kompendium.de/public/schaerer/diffemg.htm

Bild 3  EMG-Vorverstärker Deluxe

von Eric (Gast)


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Die Referenzelektrode musste hinter die Widerstände bei Pin 1 und 8 des 
INA

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