Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Rauscharmer Verstärker und Spannungsversorgung


Announcement: there is an English version of this forum on EmbDev.net. Posts you create there will be displayed on Mikrocontroller.net and EmbDev.net.
von Tobias P. (hubertus)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo Kollegen,
ich möchte Rauschen im Bereich 1Hz..1MHz messen. Dazu wird natürlich ein 
rauscharmer Verstärker benötigt. Ich gedenke, diesen mit zwei Stufen 
eines AD797 zu realisieren, wobei jede Stufe eine Verstärkung von 30dB 
haben soll. Durch kleine Reedkontakte oder dergleichen könnte die 
Verstärkung sogar zwischen 0/30/60dB umgeschaltet werden. Schaltung als 
nichtinvertierender Verstärker.
Soweit so gut - der AD797 sollte vermutlich meinen Anforderungen 
genügen.
Der schönste Verstärker nützt allerdings nichts, ohne eine passende 
Spannungsversorgung.
Ich werde vermutlich meinen AD797 mit +/-5V speisen. (Unipolar würde mir 
besser gefallen, aber ich habe den Eindruck, dass dies schwierig werden 
wird aufgrund der niedrigen unteren Grenzfrequenz.)

1. Gibts allenfalls noch etwas besseres als den AD797? oder sollte man 
diesen vielleicht mit einer externen Vorstufe betreiben, z.B. mit einem 
Differenzverstärker wie hier?

https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/tips-on-making-fetching-discrete-amplifier.html


2. ich werde einen DC/DC Wandler einsetzen müssen, um die +/-5V zu 
erzeugen. Und dann, wie kann man das Rauschen auf der Versorgung am 
effizientesten unterdrücken? Ich würde einen Traco TES1-0521 benutzen. 
Danach LC-Filter? reicht das? oder braucht man da einen "capacitance 
multiplier"? oder den "Super Regulator" von Walt Jung?

3. Ich würde die Elektronik in einem aus dem Vollen gefrästen Alugehäuse 
einbauen, um gute Schirmwirkung zu erhalten. Mumetall ist keine Option. 
Stahl wäre allenfalls noch denkbar, aber ich bin nicht sicher ob das 
nötig ist. Aber genau deshalb, weil das in ein Gehäuse soll, und später 
irgendwo eingebaut wird, ist eine Versorgung mit Batterien keine Option. 
Den DCDC Wandler werde ich ausserhalb des Gehäuses unterbringen, um die 
Sauereien möglichst aus dem Innern des Gehäuses fern zu halten. Kann man 
da noch was verbessern?

von Udo K. (Gast)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Tobias P. schrieb:
> Hallo Kollegen,
> ich möchte Rauschen im Bereich 1Hz..1MHz messen. Dazu wird natürlich ein
> rauscharmer Verstärker benötigt. Ich gedenke, diesen mit zwei Stufen
> eines AD797 zu realisieren, wobei jede Stufe eine Verstärkung von 30dB

30 dB bei 1 MHz ist ziemlich viel.. der AD797 hat gerade mal 40 dB
open loop gain bei 1 MHz.  Wenn es nicht super genau sein muss,
wird das aber passen.

> haben soll. Durch kleine Reedkontakte oder dergleichen könnte die
> Verstärkung sogar zwischen 0/30/60dB umgeschaltet werden. Schaltung als
> nichtinvertierender Verstärker.

Warum keine CMOS Schalter?


> Soweit so gut - der AD797 sollte vermutlich meinen Anforderungen
> genügen.

Vermutlich... keiner hier kennt deine Anforderungen.
Reichen 0.9nV/sqrt(Hz)?   Wie schaut es mit der Quellimpedanz aus,
ist die niederohmig genug?


> Der schönste Verstärker nützt allerdings nichts, ohne eine passende
> Spannungsversorgung.
> Ich werde vermutlich meinen AD797 mit +/-5V speisen. (Unipolar würde mir
> besser gefallen, aber ich habe den Eindruck, dass dies schwierig werden
> wird aufgrund der niedrigen unteren Grenzfrequenz.)

>
> 1. Gibts allenfalls noch etwas besseres als den AD797? oder sollte man
> diesen vielleicht mit einer externen Vorstufe betreiben, z.B. mit einem
> Differenzverstärker wie hier?
>
> 
https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/tips-on-making-fetching-discrete-amplifier.html

Wenn du eine hohe Quellimpedanz hast, bringt das was.


>
> 2. ich werde einen DC/DC Wandler einsetzen müssen, um die +/-5V zu
> erzeugen. Und dann, wie kann man das Rauschen auf der Versorgung am
> effizientesten unterdrücken? Ich würde einen Traco TES1-0521 benutzen.
> Danach LC-Filter? reicht das? oder braucht man da einen "capacitance
> multiplier"? oder den "Super Regulator" von Walt Jung?

Nimm einen DC/DC Wandler, der bei >1MHz arbeitet, dann kannst du
den ganzen Müll mit einem Tiefpass bei 1 MHz rausfiltern.

der AD797 hat übrigens eine ziemlich gute PSRR.


> 3. Ich würde die Elektronik in einem aus dem Vollen gefrästen Alugehäuse
> einbauen, um gute Schirmwirkung zu erhalten. Mumetall ist keine Option.
> Stahl wäre allenfalls noch denkbar, aber ich bin nicht sicher ob das
> nötig ist. Aber genau deshalb, weil das in ein Gehäuse soll, und später
> irgendwo eingebaut wird, ist eine Versorgung mit Batterien keine Option.
> Den DCDC Wandler werde ich ausserhalb des Gehäuses unterbringen, um die
> Sauereien möglichst aus dem Innern des Gehäuses fern zu halten. Kann man
> da noch was verbessern?

Sicher, verbessern kann man immer noch etwas.  Aber ob es notwendig ist?
Probiere es einfach aus, und berichte uns dann vom Ergebnis.

von Frido H. (hebu)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo Tobias

Eine wirklich gute rauschfreie Speisung ist mit Akkubetrieb machbar.
Anderes geht auch, aber mit viel Aufwand/Arbeit.
Und einfacher rauschfreier Verstärker als Ideenlieferand siehst du hier:
http://opengeiger.de/ Das "Stuttgarter Geigerle".
Hochfrequenzabschirmung nicht vergessen.

Gruss Frido

von Lurchi (Gast)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Eine super rauscharme Spannungsversorgung braucht man für die OPs nicht. 
Allerdings produzieren die DCDC-Wandler teils schon recht kräftige 
Störungen. D.h. wenn man so einen Wandler nutzen will sollte man LC 
Filter einplanen, ein extra linarer Regler dahinter muss nicht 
unbedingt.

Der AD797 hat ein sehr kleine Spannungsrauschen, aber auch ein sehr 
hohes Stromrauschen. D.h. es hängt von der Signalquelle ab, ob er eine 
gute Wahl ist. Der AD797 und ähnliche passen für Quellen bis etwa 200 
Ohm Impedanz.
Für hochohmigere Quellen sind andere OPs besser - im 100 kOhm Bereich 
sogar ein LM358.

Für die 2. Stufe ist das Rauschen des OPs nicht mehr so wichtig. Da tut 
es auch ein weniger extremer OP wie OP27.

von ths (Gast)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
1. Vorstufen machen ggf. Ärger bzgl. Drift. Würde ich nicht machen, wenn 
es nicht unbedingt sein muss

2. Mit einem DCDC wird das schwierig. Nimm Batterien.

3. Das Gehäuse ist das kleinste Problem, mach das ganz zum Schluss. Das 
muss erstmal so auf dem Tisch funktionieren.

Literatur: Motchenbacher & Fitchen: Low Noise Electronic Design

von Tobias P. (hubertus)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Udo K. schrieb:
> 30 dB bei 1 MHz ist ziemlich viel.. der AD797 hat gerade mal 40 dB
> open loop gain bei 1 MHz.  Wenn es nicht super genau sein muss,
> wird das aber passen.

ja, den Gain werde ich mit einem Netzwerkanalyzer genau ausmessen. 1 MHz 
ist absolute Obergrenze und "nice to have". Wird wohl genau genug sein 
;-)

Udo K. schrieb:
> Vermutlich... keiner hier kennt deine Anforderungen.
> Reichen 0.9nV/sqrt(Hz)?   Wie schaut es mit der Quellimpedanz aus,
> ist die niederohmig genug?

Meine Quellenimpedanz beträgt einige 10 Ohm.

Udo K. schrieb:
> Wenn du eine hohe Quellimpedanz hast, bringt das was.

Hmm ich befürchte, dass ich damit im Zweifelsfall mein Rauschen eher 
verschlechtere. Es müssen ja sehr genau gematchte FETs sein. Mir fehlt 
da die Erfahrung, was man mit diesen zwei extra FETs noch raus holen 
kann.

Udo K. schrieb:
> Nimm einen DC/DC Wandler, der bei >1MHz arbeitet, dann kannst du
> den ganzen Müll mit einem Tiefpass bei 1 MHz rausfiltern.

Mist, der von mir vorgesehene DCDC-Wandler hat natürlich 100 kHz :-(
Eigentlich wollte ich gern einen fertigen Wandler einbauen, sowas von 
Traco oder so - den Wandler auch noch zu bauen, dieses Fass wollte ich 
eigentlich nicht auch noch öffnen.

Ich möchte halt den Verstärker so bauen, dass ich möglichst nah an die 
0.9nV/sqrtHz vom AD797 heran komme und da nicht unnötig was verschenke.

von Tobias P. (hubertus)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Udo K. schrieb:
> Warum keine CMOS Schalter?

was hätten die für einen Vorteil? kann man natürlich machen. Habe ich 
noch nicht so überlegt. Die Reedkontakte hätte ich schon da ;-)

von Lurchi (Gast)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Bei einigen 10 Ohm Quellimpedanz kann man sogar 2 oder 3 der rauscharmen 
OPs parallel schalten für noch weniger Rauschen. Ein FET Eingangsstufe 
passt da nicht - die haben in aller Regel (außer sehr große oder viele 
parallel) mehr Rauschen, vor allem bei niedrigen Frequenzen.

von Udo K. (Gast)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Tobias P. schrieb:
> Udo K. schrieb:
>> Warum keine CMOS Schalter?
>
> was hätten die für einen Vorteil? kann man natürlich machen. Habe ich
> noch nicht so überlegt. Die Reedkontakte hätte ich schon da ;-)

Dann nimm halt die Reed Kontakte. Die Cmos Schalter sind halt kleiner,
und günstiger, und lassen sich einfach ansteuern.
Kaputt werden die auch nicht.

von Udo K. (Gast)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Tobias P. schrieb:
> Udo K. schrieb:
>> Wenn du eine hohe Quellimpedanz hast, bringt das was.
>
> Hmm ich befürchte, dass ich damit im Zweifelsfall mein Rauschen eher
> verschlechtere. Es müssen ja sehr genau gematchte FETs sein. Mir fehlt
> da die Erfahrung, was man mit diesen zwei extra FETs noch raus holen
> kann.

So ist es.  Für deine niedrige Quellimpedanz ist bipolar das richtige.

von Udo K. (Gast)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Tobias P. schrieb:
> Udo K. schrieb:
>> Nimm einen DC/DC Wandler, der bei >1MHz arbeitet, dann kannst du
>> den ganzen Müll mit einem Tiefpass bei 1 MHz rausfiltern.
>
> Mist, der von mir vorgesehene DCDC-Wandler hat natürlich 100 kHz :-(
> Eigentlich wollte ich gern einen fertigen Wandler einbauen, sowas von
> Traco oder so - den Wandler auch noch zu bauen, dieses Fass wollte ich
> eigentlich nicht auch noch öffnen.

Dann musst du halt damit leben.  Wahrscheinlich stört das im Bereich
bis 1 MHz nicht alzu viel...
Eventuell kannst du ja neben einem Filter einen LDO mit guter
PSRR dazwischenschalten.
Aber auch der AD797 hat schon 60 dB PSRR bei 100 kHz.

von Tobias P. (hubertus)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Udo K. schrieb:
> So ist es.  Für deine niedrige Quellimpedanz ist bipolar das richtige.

dann würdest du also doch eine Vorstufe noch dazu bauen, aber mit 
Bipolartransistoren? Also doch so wie hier

https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/tips-on-making-fetching-discrete-amplifier.html

aber halt eben die JFET durch bipolare ersetzen. Ich denke, ein Vorteil 
könnte sein, dass dadurch die Bandbreite etwas verbessert werden könnte, 
da der AD797 nicht mehr so viel verstärken muss, wenn man eine 
Eingangsstufe hat, die schon ein bisschen vorverstärkt?


Anscheinend wird das mit der rauscharmen Spannungsversorgung ja 
überbewertet - ich werde einfach ein LC filter mit ordentlichen Elkos 
rein bauen, und dann sollte das ja anscheinend gut sein.


Mir stellt sich noch die Frage, wie ich dann am besten das Rauschen der 
Versorgungsspannung messe - irgendwie muss ich ja herausfinden können, 
ob meine Massnahmen (Filter, ...) etwas gebracht haben. Dazu brauche ich 
den Messverstärker, und für den brauche ich die rauscharme Versorgung, 
...
mein einziger Speki, der Frequenzmässig tief genug herunter kommt, ist 
ein HP4195A (bis 0.1Hz). Der Sweep wird damit wohl stunden dauern.

von Udo K. (Gast)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Tobias P. schrieb:
> dann würdest du also doch eine Vorstufe noch dazu bauen, aber mit
> Bipolartransistoren? Also doch so wie hier
>
> 
https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/tips-on-making-fetching-discrete-amplifier.html
>
> aber halt eben die JFET durch bipolare ersetzen. Ich denke, ein Vorteil
> könnte sein, dass dadurch die Bandbreite etwas verbessert werden könnte,
> da der AD797 nicht mehr so viel verstärken muss, wenn man eine
> Eingangsstufe hat, die schon ein bisschen vorverstärkt?

Nein.  Die Eingangstufe des AD797 ist ja bipolar.  Wenn du die
toppen möchtest, dann musst du relativ grosse (Leistungs)transistoren
verwenden (viel Fläche), und die sind langsam.
Der AD797 verwendet einen 6 GHz Prozess für die Transistoren (glaube 
ich)...

Das bringt bei deinem Wissensstand nichts, weil du erst mal einen Aufbau 
brauchst,
der die 0.9nV vom AD797 erreicht... das ist ca. das Rauschen
eines 50 Ohm Widerstandes...

Was soll das ganze denn werden, wenn es fertig ist?



>
> Anscheinend wird das mit der rauscharmen Spannungsversorgung ja
> überbewertet - ich werde einfach ein LC filter mit ordentlichen Elkos
> rein bauen, und dann sollte das ja anscheinend gut sein.

Keine Ahnung...
Denn niederfrequenten Anteil schafft ein guter LDO, den hochfrequenten
Anteil ein LC Filter mit Kerkos und eher niedrigen Induktivitäten, ca 
1uH.
Elkos sind da fehl am Platze.



> Mir stellt sich noch die Frage, wie ich dann am besten das Rauschen der
> Versorgungsspannung messe - irgendwie muss ich ja herausfinden können,
> ob meine Massnahmen (Filter, ...) etwas gebracht haben. Dazu brauche ich
> den Messverstärker, und für den brauche ich die rauscharme Versorgung,

Gar nicht.  Du misst den Ausgang deines Verstärkers, und wenn der
Spikes bei Vielfachen von 100kHz im Spektrum hast,
dann weisst du ja was los ist.


> ...
> mein einziger Speki, der Frequenzmässig tief genug herunter kommt, ist
> ein HP4195A (bis 0.1Hz). Der Sweep wird damit wohl stunden dauern.

Und was soll das bringen?

von Name H. (hacky)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Allenfalls mal den Thread :

Beitrag "Einfacher Messverstärker 10 Hz - 100 KHz"

reinziehen.

von Udo K. (Gast)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Bis man sich den Thread reingezogen hat, hat man den
Verstärker auf Breadboard auch schon aufgebaut...

von Jens G. (jensig)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Fridolin H. (hebu) schrieb:

>Eine wirklich gute rauschfreie Speisung ist mit Akkubetrieb machbar.
>Anderes geht auch, aber mit viel Aufwand/Arbeit.
>Und einfacher rauschfreier Verstärker als Ideenlieferand siehst du hier:
>http://opengeiger.de/ Das "Stuttgarter Geigerle".
>Hochfrequenzabschirmung nicht vergessen.


Vollkommen ungeeigent - auch als Ideenlieferant. Der dort benutzt AD8666 
rauscht 10x so stark wie der vom TO genutzte AD797, und 4MHz GBW reicht 
wohl für 30dB@1MHz offensichtlich auch nicht.
Auserdem will der TO wohl keinen TIA bauen, und daß es neuerdings 
rauschfreie Verstärker gibt, ist mir auch noch recht neu.

: Bearbeitet durch User
von Tobias P. (hubertus)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Udo K. schrieb:
> Bis man sich den Thread reingezogen hat, hat man den
> Verstärker auf Breadboard auch schon aufgebaut...

naja, das hatte ich nicht vor - grade auf dem Breadbord wirds ja auch 
sauereien geben. Ich halte es für unvermeidbar, direkt eine kleine 
Leiterplatte zu machen.

von Udo K. (Gast)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Es sind doch alle Bauteile in durchkontaktiert erhältlich, oder?

Was für Probleme erwartest du dir bei einen Lochrasteraufbau,
die ein Profiprint nicht hat?

von Tobias P. (hubertus)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Udo K. schrieb:
> Es sind doch alle Bauteile in durchkontaktiert erhältlich, oder?
>
> Was für Probleme erwartest du dir bei einen Lochrasteraufbau,
> die ein Profiprint nicht hat?

weiss ich gar nicht. Da ich schlussendlich sowieso eine richtige 
Leiterplatte mit SMD bauen will, ist das sekundär. Einem Aufbau auf 
Lochraster traue ich halt nicht dieselbe Rauscharmut zu, einfach weil 
der Aufbau gar nie so gut sein kann, wie mit einer echten Leiterplatte.

von Andreas S. (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill) Benutzerseite


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Tobias P. schrieb:
> Ich würde einen Traco TES1-0521 benutzen.

Von Traco gibt es einige recht neue Typen in sog. "ultra low ripple and 
noise"-Ausführung, die für exakt solche Anwendungsfälle wie Deiner 
ausgelegt sind. Ich hatte mich wegen solch einer Aufgabenstellung auf 
der Embedded World mit zwei Traco-Mitarbeitern ausführlich unterhalten.

Die derzeit verfügbaren Serien heißen TYL und TVN 3. Leider kann man bei 
Traco auf der Webseite die Suchergebnisse nicht auf solche "ultra low 
ripple and noise"-Typen einschränken. Die Wandler beider Serien befinden 
sich in metallgekapselten Gehäusen, wobei es keine Einschränkungen gibt, 
auf welches Potential man dieses Gehäuse legt.

von Harald W. (wilhelms)


Bewertung
1 lesenswert
nicht lesenswert
Tobias P. schrieb:

> weiss ich gar nicht. Da ich schlussendlich sowieso eine richtige
> Leiterplatte mit SMD bauen will, ist das sekundär. Einem Aufbau auf
> Lochraster traue ich halt nicht dieselbe Rauscharmut zu, einfach weil
> der Aufbau gar nie so gut sein kann, wie mit einer echten Leiterplatte.

Wenn Du in Deiner Leiterplatte auch solche Dinge wie Guardring
einbaust und auch sonstige Designregeln beachtest, mag das
schon stimmen. Ansonsten ist ein guter Lochrasteraufbau besser
als eine schlechte Platine.

von Klaus R. (klara)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Tobias P. schrieb:
> Gibts allenfalls noch etwas besseres als den AD797?

Der LT1115 spielt ebenfalls in dieser Liga. Man ist mit diesen OPV schon 
nahe am thermischen Widerstandsrauschen. Im Datenblatt des LT1115 wird 
noch einiges zum Strom- und Spannungsrauschen erläutert. Ebenso wird 
etwas zum Einsatz bei verschiedenen Quellimpedanzen aufgezeigt.

https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/lt1115fa.pdf

Noch ein wenig Marerial zum Thema.
Beitrag "Parallelschalten von Halbleitern für kleines Rauschen"
Beitrag "SNR mit Hobbyausstattung messen"

mfg klaus

von Christoph db1uq K. (christoph_kessler)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
https://dg4rbf.lima-city.de/Ultra%20Low%20Noise%20AMP%20V1.7f%20_WebSeite.pdf
http://www.dg4rbf.de/pnts.htm

Die Überlegungen von Bernd Kaa zu seinem Phasenrauschmessgerät drehen 
sich um NF-Verstärker und Stromversorgung. Er hat schließlich den guten 
alten LM723 wiederentdeckt. Und nach drei parallelen FET sitzt ein 
AD797.

: Bearbeitet durch User
von Tobias P. (hubertus)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Christoph db1uq K. schrieb:
> Er hat schließlich den guten
> alten LM723 wiederentdeckt.

Danke, den PNTS kenne ich natürlich, ist in den UKW-Berichten 
beschrieben ;-) aber genau den LM723 wollte ich nicht benutzen.

Christoph db1uq K. schrieb:
> Und nach drei parallelen FET sitzt ein
> AD797.

Hmm, wo sieht man das? in der Version, die noch in den UKW-Berichten 
abgedruckt war, ist der LM833 verwendet - im Wesentlichen ist es ein 
Wenzel-Verstärker.

von Lurchi (Gast)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Bei den sehr niedrigen Frequenzen ist das PSRR des Verstärkers 
(insbesondere OPs) in der Regel gut genug, so dass man sich da keine 
großen Gedanken machen muss. Die Versorgung wäre eher kritisch, wenn 
noch Teste von DCDC wandler im 100 kHz Bereich durchkommen, weil da das 
PSRR oft nicht mehr so gut ist. Da ist dann die Messung einfacher / 
schneller.

Kritischer wird die Versorgung ggf. wenn man doch eine diskrete 
Eingangsstufe haben will, um doch besser als 1 nV/Sqrt(Hz) zu werden. Im 
Prinzip kann bei einer 10 Ohm Quelle der diskrete Teil auch BJTs nutzen. 
Mit viel Aufwand geht dass, ist dann aber nicht mehr so einfach wie ein 
AD797 oder auch 2 parallel.

Es gibt ein paar ähnliche OPs, etwa LT1028, LT1115, OPA211 und ein paar 
mehr.

von Gerhard H. (ghf)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Tobias P. schrieb:
> Udo K. schrieb:
>> Es sind doch alle Bauteile in durchkontaktiert erhältlich, oder?
>>
>> Was für Probleme erwartest du dir bei einen Lochrasteraufbau,
>> die ein Profiprint nicht hat?
>
> weiss ich gar nicht. Da ich schlussendlich sowieso eine richtige
> Leiterplatte mit SMD bauen will, ist das sekundär. Einem Aufbau auf
> Lochraster traue ich halt nicht dieselbe Rauscharmut zu, einfach weil
> der Aufbau gar nie so gut sein kann, wie mit einer echten Leiterplatte.

Da braucht man wenig Befürchtungen zu haben:

< 
https://get.google.com/albumarchive/103357048842463945642/album/AF1QipP-XB-RhpB7jBFO2E3CPWdmoqs8VhJGXd9_apt6/AF1QipN_R5pGsowekccgRcMBwcrsFUecDkEkChEqmgPi 
>

Und die Schaltung aus Horowitz/Hill: Art of Electronics III
funktioniert auch und bringt ihre versprochenen 70pV/rt Hz.
Da wird der Rauschstrom halt tatsächlich langsam lästig:

< 
https://www.flickr.com/photos/137684711@N07/44311358915/in/album-72157662535945536/lightbox/ 
>


Von dem 20xAD4898-Verstärker, den wir schon mal in einem anderen thread
hier hatten, gibt es auch ein Update. Jetzt mit wet slug Tantal im
Eingang, Analogschaltern zum Umschalten von Verstärkung und 
Eckfrequenzen,
2.er Eingang mit FET-OpAmp (rauscht, ist aber hochohmig) und ein
opto-entkoppelter SPI-Receiver in einem Xilinx Coolrunner zum 
Einstellen.

< 
https://www.flickr.com/photos/137684711@N07/46175592942/in/album-72157662535945536/lightbox/ 
>

Die Analogschalter sind nicht so harmlos wie es zunächst aussieht. Es
bleibt eine Menge Übersprechen etc. Da muss ich nochmal ran.
90 dB gain sind nicht ganz ohne.

Ich würde dringend zu Li- oder NiMH-Batterien raten. Es geht da weniger
um die Sauberkeit der Spannung als um Masseverkopplungen mit allem 
möglichen auf dem Tisch.

Mit LT3042 & Freunden hat man eine endgültige Lösung für
Dreck & Rauschen auf der Versorgung.

Gruß,
Gerhard

von Udo K. (Gast)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Schöne Elektronik!  Danke für die Fotos.

von Gerhard H. (ghf)


Angehängte Dateien:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Tut das Not mit der schnellen Antwort?
Jetzt kann ich's nicht mehr ändern.     :-)

Es sind 10 * ADA 4898-2. Das Doppelpack ist preisgünstiger als einzelne 
AD797.

Und ich habe eine Hassliebe zu den FET-Verstärkern mit dem Strickmuster
"viele parallele Fets, optionale Cascode, OpAmps, Rückkopplung in die
Sourcen".

Die haben alle eine Schwingneigung weil sie einen negativen
Eingangswiderstand entwickeln. Nicht nur meine, auch die von anderen
Leuten, die seit Jahren unauffällig im Netz stehen.
In dem Ding hier kann man unschwer den HPS 5.1 erkennen:

von Udo K. (Gast)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Jetzt habe mir mit der Antwort extra Zeit gelassen :-)

Das Problem mit der Schwingneigung hatte auch
Tektronix bei den Verstärkern für Oszis.
Im wesentlichen wird ein C am Source zu einem
negativen Widerstand am Gate.

Die haben ein R-C zwischen Gate und GND gehängt.

Das lässt sich exakt so berechnen, dass
der negative Widerstand verschwindet,
wobei keine Bandbreite verloren geht.
Da gibt es von Dennis Feucht eine Abhandlungen dazu.


Die Kaskode macht das ganze noch schlimmer,
weil sie ja am Emitter wie eine Induktivität wirkt

Das kann man natürlich auch ausnützen, um
die Bandbreite noch weiter zu erhöhen (Inductive Peaking).

Wenn es dich interessiert, kann ich die Seiten raussuchen.

von Gerhard H. (ghf)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Ja, gerne, würde mich interessieren.

In meinem Fall, mit 4 * IF3601 war schon die Cascode alleine
instabil. Ja, der Mechanismus ist wie bei den üblichen
neg. impedance Oszillatoren, wie man sie typ. in UHF-VCOs sieht.

Das Problem ist, dass alle üblichen Abhilfe-Maßnahmen unerwünschte
Nebenwirkungen haben.

Ein Wirkwiderstand in der Gateleitung scheidet ganz aus. Dann
braucht man den rauscharmen Verstärker gar nicht erst bauen.

Die Transistoren haben ein paar 100 pF Kapazität, schon fast nF.
Da ist das RC-Glied am Eingang noch zusätzlich natürlich höchst
unwillkommen.

Die Rückkopplung in die Source macht die GS-Kapazität weitgehend
weg. Leider kommt die Rückkopplung etwas spät durch die Schleife,
weshalb sich der FET wie ein kap. belasteter Sourcefolger fühlt.
Der Drain sieht in den niederohmigen Emitter der Cascode, das
macht das Sourcefolger-Bild komplett.
Wenn man die Gegenkopplungsschleife mit einer VCVS baut, sieht
das schon viel besser aus. Gibt's aber nicht zu kaufen.

Wenn man zwischen Drain und Emitter der Cascode einen Trenn-
widerstand macht, schlägt der Miller-Effekt wieder zu. Wenn der R
so groß ist, dass er wirkt, dann kann man sich die Cascode gleich
schenken und ihn zum Arbeitswiderstand erklären.

Ein Transimpedanzverstärker statt der Cascode bräuchte 10 GHz
open loop gain damit man das ḱompensiert bekommt.

Die Cascode selbst habe ich durch Bootstrappen still bekommen.
Bootstrappen von der source + Zener zur Cascodenbasis ist nett,
aber die Sourcespannung ist halt zu spät.

Besser sieht es mit einem FASTFET-op amp aus, der zusätzlich
am Eingang hängt. Gain=1. Sein Ausgang treibt über eine BZX84-c3v9
als Level-Shifter die Basis der Cascode. Das neutralisiert komplett
die GD-Kapazität und macht das RC-Glied im TEK-Stil an der Basis
viel realisierbarer.

Das Rauschen des Opamps schadet nicht weil die Basisspannung
einer Cascode in erster Näherung keinen Ausgangsanteil für das
Signal liefert. Der Cascodentransistor ist komplett stromgesteuert.

Der OpAmp muss wirklich schnell sein. Mit OPA140 braucht man nicht
erst anzutreten.

Damit ist die Cascode für sich alleine erst mal stabil. Reicht
aber nicht, wenn man die Gegenkopplungsschleife zumacht, auch nicht
bei 60° Phasenrand. Da sind wohl noch mehr reingeschachtelte
Schleifen mit Eigenleben.

Seufz, Gerhard

von Udo K. (Gast)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Gerhard H. schrieb:
> Ja, gerne, würde mich interessieren.

Ich suche es dir raus, komme nur gerade nicht dazu.

> Die Rückkopplung in die Source macht die GS-Kapazität weitgehend
> weg. Leider kommt die Rückkopplung etwas spät durch die Schleife,
> weshalb sich der FET wie ein kap. belasteter Sourcefolger fühlt.
> Der Drain sieht in den niederohmigen Emitter der Cascode, das
> macht das Sourcefolger-Bild komplett.
> Wenn man die Gegenkopplungsschleife mit einer VCVS baut, sieht
> das schon viel besser aus. Gibt's aber nicht zu kaufen.

Wahrscheinlich geht das einfach nicht gut zusammen:
viel G-S Kapazität und Bandbreite.

Die Opamps in der Rückkopplung sind ja sauschnell, nur muss die
Rückkopplung relativ früh die Phase um 90 Grad
drehen, damit die Schleifenverstärkung um 6 dB/Oktave runtergeht.
Damit passt dann die Kompensation der G-S Kapazität nicht mehr zu 100%.

Eine Lösung wäre eine Zweipolkompensation, die im gewünschten
Frequenzbereich 0 dB/Oktave macht, aber danach
um 12 dB/Oktave runtergeht, und sich auf 6 dB einpendelt,
sodass die Phasenreserve passt.
Dann ist das Impulsverhalten aber nicht mehr so schön...

Vielleicht braucht man da auch ein anderes Konzept,
sowas wie einen Amps für NF und einen für höhere Frequenzen.
Der NF Amp steuert dann den HF Amp bis 100kHz, und drüber
werkelt der HF Amp alleine.
Das hat ja Tek auch irgendwann mal erfunden.


> Die Cascode selbst habe ich durch Bootstrappen still bekommen.
> Bootstrappen von der source + Zener zur Cascodenbasis ist nett,
> aber die Sourcespannung ist halt zu spät.
>
> Besser sieht es mit einem FASTFET-op amp aus, der zusätzlich
> am Eingang hängt. Gain=1. Sein Ausgang treibt über eine BZX84-c3v9
> als Level-Shifter die Basis der Cascode. Das neutralisiert komplett
> die GD-Kapazität und macht das RC-Glied im TEK-Stil an der Basis
> viel realisierbarer.

Das ist eine super Idee! Darauf muss man erst mal kommen.

>
> Damit ist die Cascode für sich alleine erst mal stabil. Reicht
> aber nicht, wenn man die Gegenkopplungsschleife zumacht, auch nicht
> bei 60° Phasenrand. Da sind wohl noch mehr reingeschachtelte
> Schleifen mit Eigenleben.

Eventuell muss man da auch Abstriche vom Perfektionismus machen.
Früher hatte man das meist mit
einzelnen Stufen gelöst, die ohne Rückkopplung arbeiten.
Wenn es wirklich um deutlich < 1nV/sqrt(Hz) geht,
ist das vielleicht ein guter Kompromiss?

Grüsse,
Udo

von Tobias P. (hubertus)


Angehängte Dateien:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo Kollegen

nachdem mir das mit der Spannungsversorgung nun einigermassen klar ist, 
habe ich etwas mit verschiedenen Arten von Verstärkern in LTSpice 
experimentiert.

Im Anhang mal ein paar meiner Simulationen. Zuerst habe ich zwei 
gewöhnliche Verstärker mit AD797 kaskadiert. 30dB Gain pro Stufe. Das 
Bodediagramm zeigt, dass die Verstärkung bis ca. 1MHz brauchbar konstant 
bleibt. 10MHz werde ich mir wohl abschminken können (OK mit weniger Gain 
ginge es, aber mit 1MHz Grenzfrequenz kann ich auch noch leben, vermute 
ich).

Die Rauschsimulation zeigt weiterhin, dass bei zwei kaskadierten AD797 
mit einer Rauschdichte von ca. 15uV/rtHz zu rechnen ist. Zurückgerechnet 
auf den Eingang also 15nV/rtHz.

Danach habe ich mit gewöhnlichen BC817 Transistoren, die ja ansich nicht 
für ihre besondere Rauscharmut bekannt sind, eine bipolare 
Differenzverstärkervorstufe dazu gebaut.

Bemerkenswert: die Rauschsimulation behauptet, dass am Ausgang ca. 
1uV/rtHz Rauschen anliegt - dementsprechend 1nV/rtHz am Eingang. Das 
wäre ja ansich sehr gut!

Das Bodediagramm zeigt, dass aufgrund der kleinen Überhöhung bei ca. 
1MHz die Bandbreite noch etwas grösser wird.

Ansich sieht das meiner Meinung nach ganz brauchbar aus, aber ich kann 
es kaum glauben, dass der AD797 mit diesem simplen "Trick" noch 
verbessert werden können soll.

a) ist meine Simulation plausibel? ich glaube nicht. 1nV/rtHz mit einem 
selbergebastelten, derart einfachen Verstärker glaube ich nicht.
b) da die Simulation vermutlich zu optimistisch ist - wo liegt der 
Denkfehler?

ich werde dann, sobald die bestellten AD797 da sind, doch noch einen 
Versuchsaufbau machen. Dann kann man es ja nachmessen, wenngleich ich 
noch nicht sicher bin, ob dies mit meinem Equipment möglih ist. Evtl. 
mit der Soundkarte...

von Udo K. (Gast)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Du hast einen Fehler drinnen, die 2 AD797 machen ca. 1nV bezogen auf den 
Eingang.  Die zwei Schaltungen sind also vergleichbar, wenn
man bedenkt, dass der Basisbahnwiderstand in den Modellen meist
fehlt...

Die Werte sind für die diskrete Stufe aber plausibel.
Vergiss aber nicht die vielen Kompromisse, die du dir damit 
einhandelst... (Offset, Basisstrom, schlechte CMRR, schlechte PSRR,
Transistor matching, HF Instabilitäten, Stromverbrauch)

Das zahlt sich nicht wirklich aus.  Es gibt nur eine Handvoll
von Anwendung, die die 1nV / sqrt(Hz) wirklich braucht...
Und von deinem Wissenstand ausgehend schätze ich mal,
dass du nicht zu dieser Gruppe gehörst :-)

Und in der Praxis hast du mit deinem Schaltnetzteil ganz andere
Probleme, wie das die HF eventuell über den Eingang einkoppelt, u
nd dann sind die 1nV eh wunschdenken.

von Tobias P. (hubertus)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Udo K. schrieb:
> Du hast einen Fehler drinnen, die 2 AD797 machen ca. 1nV bezogen auf den
> Eingang.

wie das? LTSpice sagt doch 14uV, bei einem Gain von 1000 sind das 14nV 
am Eingang?

Udo K. schrieb:
> Basisbahnwiderstand in den Modellen meist
> fehlt

werd ich heute Abend gleich nachschauen.

Udo K. schrieb:
> Die Werte sind für die diskrete Stufe aber plausibel.
> Vergiss aber nicht die vielen Kompromisse, die du dir damit
> einhandelst... (Offset, Basisstrom, schlechte CMRR, schlechte PSRR,
> Transistor matching, HF Instabilitäten, Stromverbrauch)

Der Offset stört mich nicht so sehr. Da ich eigentlich sowieso nur am 
AC-Anteil interessiert bin, kann ich am Ausgang des Verstärkers mit 
einem grossen Kondensator auskoppeln und einen Impedanzwandler 
nachschalten. (Am Eingang könnte ich das nicht - da ich eine 
einigermassen niederohmige Quelle habe, müsste der Koppelkondensator 
riesig sein.)

Auch der Stromverbrauch ist sekundär, da ich Batteriebetrieb sowieso 
ausschliesse.

Udo K. schrieb:
> Und von deinem Wissenstand ausgehend schätze ich mal,
> dass du nicht zu dieser Gruppe gehörst :-)

Danke ;-) genau diesen Wissensstand gedenke ich noch zu verbessern :-)

Ich denke, wenn ich dann mal eine Leiterplatte entwerfe, werde ich als 
Bestückungsmöglichkeit beide Varianten vorsehen. So kann man beides 
testen und vergleichen.

von Udo K. (Gast)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Tobias P. schrieb:
> Der Offset stört mich nicht so sehr. Da ich eigentlich sowieso nur am
> AC-Anteil interessiert bin, kann ich am Ausgang des Verstärkers mit
> einem grossen Kondensator auskoppeln und einen Impedanzwandler
> nachschalten. (Am Eingang könnte ich das nicht - da ich eine
> einigermassen niederohmige Quelle habe, müsste der Koppelkondensator
> riesig sein.)

Wenn du einen hochohmigen Eingang hast (und den hast du ja), dann
ist die Quellimpedanz egal,
da reichen 1.6uF bei 100k Eingangsimpedanz für 1Hz Grenzfreqenz.

AC Kopplung macht aber das Rauschen bei niedrigen Frequenzen
etwas schlechter, weil dann das Stromrauschen eine Rolle spielt.
Andererseits hast du damit eine gewisse Schutzfunktion vor
allem mögliche Blödsinn, denn deine Kunden anstellen.


>
> Ich denke, wenn ich dann mal eine Leiterplatte entwerfe, werde ich als
> Bestückungsmöglichkeit beide Varianten vorsehen. So kann man beides
> testen und vergleichen.

Die diskete Schaltung macht keinen Sinn, weil sie praktisch genau so gut
ist wie der Opamp alleine, aber etliche Nachteile hat.

Wenn dich der Ehrgeiz packt, dann musst du das richtig angehen.
Gerhard hat da sicher mehr dazu zu sagen, aber es fängt schon
damit an, dass der Diffamp ein um 3dB höheres Rauschen hat,
als eine einzelne Stufe...

Und deine 10R machen schon 0.4 nV... da musst du
deutlich runter wenn du unter 1nV kommen möchtest...

Antwort schreiben

Die Angabe einer E-Mail-Adresse ist freiwillig. Wenn Sie automatisch per E-Mail über Antworten auf Ihren Beitrag informiert werden möchten, melden Sie sich bitte an.

Wichtige Regeln - erst lesen, dann posten!

  • Groß- und Kleinschreibung verwenden
  • Längeren Sourcecode nicht im Text einfügen, sondern als Dateianhang

Formatierung (mehr Informationen...)

  • [c]C-Code[/c]
  • [avrasm]AVR-Assembler-Code[/avrasm]
  • [code]Code in anderen Sprachen, ASCII-Zeichnungen[/code]
  • [math]Formel in LaTeX-Syntax[/math]
  • [[Titel]] - Link zu Artikel
  • Verweis auf anderen Beitrag einfügen: Rechtsklick auf Beitragstitel,
    "Adresse kopieren", und in den Text einfügen




Bild automatisch verkleinern, falls nötig
Bitte das JPG-Format nur für Fotos und Scans verwenden!
Zeichnungen und Screenshots im PNG- oder
GIF-Format hochladen. Siehe Bildformate.
Hinweis: der ursprüngliche Beitrag ist mehr als 6 Monate alt.
Bitte hier nur auf die ursprüngliche Frage antworten,
für neue Fragen einen neuen Beitrag erstellen.

Mit dem Abschicken bestätigst du, die Nutzungsbedingungen anzuerkennen.