Um die Tiefpasscharakteristik eines Ultraschallsensors (Knowles FG23629, Fc: ca. 12.5 kHz, -12 dB/Oktave) vor der AD-Wandlung anzupassen, habe ich im Verstärker einen Hochpass 2. Ordnung (Fc = 80 kHz, A=36dB) vorgesehen. Bei dieser Anwendung kommt es neben dem Durchlassbereich auch - und gerade - auf den Übergangsbereich an. Mein erster Ansatz war ein Hochpass mit MFB-Topologie. Sieht in der Simulation gut aus und ist hinsichtlich Komponotenstreuung gutmütig. Auf Platine gebracht dagegen fällt die Signalqualität bei niedrigeren Frequenzen (< 50 kHz) absolut unterirdisch aus, erst oberhalb von 50 kHz nehmen die Verzerrungen erkennbar ab. (Eingangssignal vom Sensor: 100 mV pp max.) Im Vergleich mit der SK-Topologie fällt auf, dass das Eingangsignal nach dem ersten Kondensator (SK: C1, MFB: C3) gedämpft (bei SK verstärkt) wird. D.h. die MFB-Topologie verstärkt im Übergangsbereich ein stark abgeschwächtes Signal und muss daher zwangsläufig Signalverzerrungen erzeugen (in der Literatur habe ich dazu nichts gefunden)? Und - ist die SK-Topologie für die vorgesehene Anwendung besser geeignet? Hier scheinen mir die Komponentenwerte viel kritischer zu sein - also gleich Widerstände mit 0,1 % Genauigkeit einsetzen?
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Du hast eine sehr hohe Verstärkung im Durchlassbereich vorgesehen. Das erfordert für eine saubere Arbeitsweise eine hohe GBW beim Op-Amp und macht(e) mich zunächst skeptisch. Anderseits hast du mit dem LT6230-10 mit 1,5 GHz GBW eine für diesen Zweck gute Wahl getroffen und 80 kHz ist keine Raketenwissenschaft. Nun verstehe ich deine "Anamnese" auch nicht unbedingt richtig. Signalverzerrungen: Lineare oder nicht-lineare Verzerrungen? Amplitudenabhängig? Wie sieht der Versuchsaufbau aus (Foto)? Ich nehme an, dass sehr viel mehr Angaben oder Versuche für eine Ferndiagnose nötig wären, denn prinzipiell meine ich, dass es mit beiden gehen müsste und dass das Problem ganz woanders ist. Stromversorgung? Ausgangslast? Quellimpegdanz? DZDZ
Der Zahn der Zeit schrieb: > Du hast eine sehr hohe Verstärkung im Durchlassbereich > vorgesehen. Richtig. Ich würde das vernünftigerweise auf mehrere Stufen aufteilen. > Das erfordert für eine saubere Arbeitsweise eine hohe GBW > beim Op-Amp und macht(e) mich zunächst skeptisch. Anderseits > hast du mit dem LT6230-10 mit 1,5 GHz GBW eine für diesen > Zweck gute Wahl getroffen und 80 kHz ist keine > Raketenwissenschaft. 80kHz sind keine Raketenwissenschaft -- wohl aber 1.5GHz. Den OPV interessiert nicht, was er verstärken SOLL - er verstärkt, was er verstärken KANN. Das könnte im konkreten Falle auch eingestreuter Behördenfunk oder Radio PSR sein. Zwei Stufe a 15dB (=Faktor 5.5) sind schätzungsweise schon mit einem NE5532 drin; die fehlenden 6dB kommen vom Filter. Echte Sportler klettern natürlich am Blitzableiter in den 5. Stock -- aber ich würde dennoch die Treppe nehmen. > Ich nehme an, dass sehr viel mehr Angaben oder Versuche > für eine Ferndiagnose nötig wären, denn prinzipiell > meine ich, dass es mit beiden gehen müsste und dass > das Problem ganz woanders ist. Schwer zu sagen. Meiner Meinung nach kranken beide Filter daran, dass krampfhaft versucht wurde, alles mit einem einzigen OPV zu erschlagen. Sallen-Key-Filter lassen sich in vielen Fällen mit Spannungsfolgern oder mit 6dB-Verstärkern realisieren. Die Polgüte sollte bei dieser Anwendung per se niedrig sein; die Toleranzen sind dann nicht allzu kritisch. U.U. ist eine Bandbegrenzung nach oben hin sinnvoll, damit höherfrequente Störungen nicht mit voller Wucht durchkommen.
Ich hab mal den Ansatz von Possetitjel umgesetzt: Einfach zwei RC Highpass Filter mit je einem Opamp als Gainstage/Impendanzwandler dahinter. RC Filer ist jeweils 1nF/3.3k, Gain jeweils Faktor 8. Dabei lande ich ziemlich dicht an Deinen Designparametern. Ist natürlich nur eine Prinzipschaltung. Von den Anforderungen an Toleranzen und der Opamp Performance ist das alles sehr gutmütig. Die 1000pF gibt es sogar noch recht günstig als C0G Typ.
Burkhard K. schrieb: > D.h. die MFB-Topologie verstärkt im Übergangsbereich > ein stark abgeschwächtes Signal und muss daher zwangsläufig > Signalverzerrungen erzeugen (in der Literatur habe ich dazu nichts > gefunden)? Kein Wunder - was hat Verstärkung mit Verzerrung zu tun. Das sind zwei grundverschiedene Dinge. Beim Filter, egal ob passiv oder aktiv, darf keine der Komponenten nichtlinear arbeiten, sonst ist soetwas wie eine (signalpegelunabhängige) Übertragungsfunktion überhaupt nicht definiert. In keiner der Stufen des Filters darf soetwas wie eine Übersteuerung auftreten.
Der Zahn der Zeit schrieb: > Nun verstehe ich deine "Anamnese" auch nicht > unbedingt richtig. Signalverzerrungen: Lineare oder nicht-lineare > Verzerrungen? Amplitudenabhängig? Vielen Dank soweit für Eure Anworten. Um Butter bei den Fischen zu haben, habe ich Schaltplan und ein paar Messungen angehängt. Ein Foto vom Versuchsaufbau würde meinen Küchentisch mit Oszi (mit Signalgenerator) und einem alten, aber linear geregeltem ELV Netzteil zeigen, beide verbunden mit der 20x60 mm großen Platine. Die Spannungsversorgung komm direkt auf J2, das Signal vom Generator auf die für das Mikro vorgesehenen Anschlüsse. @dZdZ: Die Spannungsversorgung aus einem Linearregler ist sehr sauber. Das Eingangssignal geht vor dem HP durch eine (flache) Verstärkungsstufe von ca. 10 dB - solle also impedanzmäßig passen. Meine Designüberlegungen waren: * Das ganze soll irgendwann batteriebetrieben laufen, später kommen noch ein FDA (als Antialiasingfilter) + ADC (ca. + 15 mA) dazu. * jede weitere Verstärkungsstufe erhöht die Gesamtstromaufnahme um ca. 3 mA * jede weitere Verstärkungsstufe erhöht THD+Rauschen Und - bitte beachten - problematisch ist der Übergangsbereich, besonders am unteren Ende (15 kHz). Für mich sind Filteranwendungen Neuland, mein größtes Problem ist das Messsignal. Die 20 mV Signal aus dem Oszi-Generator sind mit weniger als 60 dB Abstand Signal zur ersten Harmonischen alles andere als "sauber" - leider habe ich keinen feineren Generator zur Verfügung. Problematisch scheinen auch die "letzten Inches" vor der Platine zu sein - die angelöteten Kabelanschlüsse für den Signaleingang (die das eigentlich vorgesehene Mikro ersetzen). Possetitjel schrieb: > Den OPV interessiert nicht, was er verstärken SOLL - er > verstärkt, was er verstärken KANN. Das ist mir klar - in diesem Fall scheinen es aber weniger Behördenfunk oder DCF77 als bereits im Signalvorhandene harmonische Verzerrungen zu sein. Ich sehe aber (noch ?) nicht, wie sich das durch ein zweistufiges Filter verbessern sollte. Im oder nahe am Durchlassbereich wird der Signalabstand zu den Verzerrungen größer, dort wird das Signal deutlich sauberer und weniger verzerrt. (siehe 50 kHz). (Gelbe Spur: Eingangsignal, rot: TP2 vor dem HP, grün: Signal nachdem HP). Nils P. schrieb: > Einfach zwei RC > Highpass Filter mit je einem Opamp als Gainstage/Impendanzwandler > dahinter. Meine Eingangsfrage war, ob die SK-Topologie sich aufgrund der fehlenden Dämpfung am Eingang gutmütiger im Übergangsbereich verhält. Sollte dies nicht zutreffen, werde ich den Ansatz mit zwei OPs weiterverfolgen.
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Burkhard K. schrieb: > Ich sehe aber (noch ?) nicht, wie sich das durch ein zweistufiges > Filter verbessern sollte. Im oder nahe am Durchlassbereich wird der > Signalabstand zu den Verzerrungen größer, dort wird das Signal deutlich > sauberer und weniger verzerrt. (siehe 50 kHz). Wenn die "Verzerrungen" bereits im Eingangssignal vorhanden sind, sind das für das Filter ganz normale Signalanteile. Was genau meinst mit "Verzerrungen" - den Dreck auf dem grünen Signal? Burkhard K. schrieb: > 15kHz.png
Die Verwendung eiens Verstärkers der nur für Verstärkung >10 gegeignet ist in dieser Anwendung einfach falsch. Auch die Filterschaltung mit der kapazitiven Belastung C16/C14 ist eine ganz schlechte Wahl. Als dritter Fehler kommt dann noch die Belastung mit 15nF für den Verstärker davor hinzu. Alles wegwerfen und eine andere Schaltung nehmen welche die drei genannten Probleme nicht hat.
Ich habe auch Bedenken und halte die Schaltung für stark optimierbar. Aber abgesehen davon: Wenn ich die Oszillogramme richtig errate, zeigst du einmal ein 50 KHz-Signal mit noch relativ großer, und ein 15 KHz-Signal mit 3,3² = ~10-fach geringerer Verstärkung und entsprechend kleiner Amplitude. Rot Eingang, Grün Ausgang, Gelb unbekannt. Das hättest du beschreiben sollen. Dem grünen Signal ist eine HF mit ca. 30-facher Frequenz überlagert, also um die 500 kHz. Sofern diese Überlagerung asynchron ist, ist hat das nichts, aber auch gar nichts mit Verzerrungen zu tun. Dann sind es irgendwelche Einstreuungen von anderswo. Mit solchen und ähnlichen Einstreuungen habe auch ich ständig zu tun, aber ich weiß dann, woher sie kommen, kann sie ggf. ignorieren oder eliminieren. Wenn sie synchron sind (was ich nicht vermute), tippe ich darauf, dass deine Quelle diese Oberwellen enthält. Es spricht (noch) nichts dagegen, dass dein Filter korrekt arbeitet.
Noch was: Burkhard K. schrieb: > * jede weitere Verstärkungsstufe erhöht THD+Rauschen In der Theorie richtig, in der Praxis, wenn man es richtig macht, Unsinn. Richtig heißt: Die erste Stufe verstärkt hoch, dann spielt das Rauschen der folgenden Stufen keine oder eine untergeordnete Rolle. Ähnliches gilt für THD. Genau das hast du aber falsch gemacht: Einen Buffer mit G=1 und danach einen Verstärker erhöht tatsächlich das Rauschen. Dazu kommt, dass die Widerstandswahl so unglücklich ist, dass es noch nicht einmal die Op-Amps sind, die das meiste Rauschen verursachen, sondern die Widerstände. Und zum Schluss ist die gesamte Rauschbetrachtung wahrscheinlich ziemlich irrelevant, weil allein die Mikrofonkapsel mehr Rauschen produziert, als deine ganze Schaltung mit all ihren Schwächen. Das habe ich aber nicht nachgerechnet, denn es ist etwas komplizierter. Es ergibt sich aus -53 dB re1V/0.1Pa und 26 dB “A” Weighted Noise 1kHz Equivalent SPL und ist bei solchen Kapseln üblicherweise viel mehr als das Rauschen besserer Op-Amps. DZDZ
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