Hallo zusammen Ich simuliere gerade einen möglichen Ausgangsfilter für den PCM1681 (Single-ended Sigma-Delta-DAC). Das Datenblatt schlägt einen Multi Feedback Tiefpass mit einem OPAxxxx vor. Von den Spezifikationen des DACs und meines restlichen Systems ist jedoch ein einfacherer OPV ausreichend. Eines Vorweg: Mir geht es hier nicht darum, möglichst leicht eine praktikable Lösung zu finden, sondern aus akademischer Sicht, einen ausreichenden Filter mit einem einfachen OPV zu konstruieren. Ich habe jeweils eine Multi Feedback und eine Sallen Key Topologie simuliert. Die Sallen Key Variante schneidet im unteren Frequenzbereich klar besser ab (Noise Gain in Non-Inverted), allerdings kann ich mir den Peak bei ~40kHz nicht erklären. Eine leichte Überhöhung tritt auch beim Multi Feedback Tiefpass auch auf. Meine Frage dazu wären: - Warum tritt der Peak/Überhöhung auf? Es scheint mit der Grenzfrequenz und dem OPV zusammenzuhängen. - Kann Rauschen über >20kHz bei Audio überhaupt zu einem Problem werden? Gerne auch dazu Literaturtipps bezüglich der Rauschanalyse. Ich hatte das zwar im Studium und kann die Schaltungen auch von Hand berechnen. Die Überhöhungen sehe ich da allerdings auch nicht.
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avr schrieb: > - Warum tritt der Peak/Überhöhung auf? Es scheint mit der Grenzfrequenz > und dem OPV zusammenzuhängen. 1. der NE5532 ist für +-2,5V nicht geeignet 2. deine SK-Filterapproximation macht selbst eine 1dB-Überhöhung bei 24,8kHz 3. der NE5532 ist ein unterkompensierter getrickster OPV, der ist für Verstärkungen dicht an 1 unbrauchbar macht Überschwingen
Elliot schrieb: > 1. der NE5532 ist für +-2,5V nicht geeignet Der TL071 übrigens auch nicht. Datenblatt lesen ist wohl uncool.
Elliot schrieb: > avr schrieb: >> - Warum tritt der Peak/Überhöhung auf? Es scheint mit der Grenzfrequenz >> und dem OPV zusammenzuhängen. > > 1. der NE5532 ist für +-2,5V nicht geeignet Das stimmt und ist mir bewusst. Es ist noch ein Überbleibsel des AD8541 aus der LT-Spice Library. Ändert jedoch nichts an der Simulation. > 2. deine SK-Filterapproximation macht selbst eine 1dB-Überhöhung bei > 24,8kHz Um die 1dB geht es mir nicht, da weiß ich auch wo die herkommen. Das Rauschen verdreifacht sich aber. > 3. der NE5532 ist ein unterkompensierter getrickster OPV, der ist für > Verstärkungen dicht an 1 unbrauchbar macht Überschwingen "These operational amplifiers are compensated internally for unity-gain operation", habe ich was übersehen?
1. Der NE5532ist sehr wohl für Unity-Gain kompensiert. Der NE5534 ist es nicht. (-> Blick ins Datenblatt!) 2. Das linearisierte Modell für 5 V Betriebsspannung sollte sich nicht in nennenswertem Maße von dem des für Modells für höhere Betriebsspannungen unterscheiden. 3. Beides erklärt nicht die Rauschspektren, nach denen gefragt wurde. (Ein un- oder unterkompensierter Op-Amp würde bei sehr viel höheren Frequenzen schwingen.) Zur Frage, zunächst eine Gegenfrage: Sind die Frequenzgänge beider Schaltungen identisch? Wie du sicherlich weißt, sind Widerstände und Halbleiter Rauschquellen. Ich unterstelle, dass dir bekannt ist, wie große deren Rauschen ist. Wenn du jedes der Elemente als AC-Quelle nimmst und die Übertragungsfunktion für diese Quelle simulierst (z. B. durch Parallelschalten einer AC-Stromquelle zu den Widerständen), siehst du, welches Element dominant beim Rauschen ist. Ich gehe davon aus, dass die dominante Rauschquelle auch hauptsächlich das beobachtete Rauschspektrum ergibt. Dann kannst du dessen Übertragungsfunktion ermitteln und siehst auch in der dann, was da passiert. Dir wird sicherlich auch bekannt sein, das hochohmigere Widerstände größere Rauschspannungen (und kleinere Rauschströme) erzeugen, und das Rauschströme der OPVs an hochohmigeren Widerständen größere Rauschspannungen erzeugen. Wenn's rauscharm sein soll, ist das zu beachten.
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Der Zahn der Zeit (🦷⏳) schrieb: > 1. Der NE5532ist sehr wohl für Unity-Gain kompensiert. Was nur heißt, daß er da nicht von selbst schwingt. Er macht aber ein starkes Überschwingen. Es gibt auch kein Datenblatt mit einem vernünftigen Bode-Diagramm. Die gezeigten sind nicht plausibel, dazu Auszug im Anhang. 100dB Verstärkungsabsenkung in nur 4 Frequenzdecaden ist unmöglich bei einem 1-stabilen OPV. > 3. Beides erklärt nicht die Rauschspektren, nach denen gefragt wurde. > (Ein un- oder unterkompensierter Op-Amp würde bei sehr viel höheren > Frequenzen schwingen.) Von "schwingen" war keine Rede, er überhöht dort, wo er durch das Rückkopplungsnetzwerk "unterstützt" wird.
avr schrieb: >> 3. der NE5532 ist ein unterkompensierter getrickster OPV, der ist für >> Verstärkungen dicht an 1 unbrauchbar macht Überschwingen > "These operational amplifiers are compensated internally for unity-gain > operation", habe ich was übersehen? Es ist doch ganz einfach, mal eine Simulation mit einem idealen OPV zu machen (hat jeder Simulator vorrätig) und mit der Simulation mit dem NE5532 zu vergleichen. Die Unterschiede können nur vom NE5532 kommen.
Elliot schrieb: > Er macht aber ein starkes Überschwingen. Wie definierst du den Begriff "Überschwingen"? Überschwingen bei der Sprungantwort oder Peaking im Frequenzgang? Wie auch immer - das findet, wenn überhaupt, bei der Transit-Frequenz statt, hier also bei 10 MHz. Die zusätzliche Phasendrehung spielt im Audio-Bereich überhaupt keine Rolle. Elliot schrieb: > Die gezeigten sind nicht plausibel, dazu > Auszug im Anhang. 100dB Verstärkungsabsenkung in nur 4 Frequenzdecaden > ist unmöglich bei einem 1-stabilen OPV Stimmt. Da hat wohl ein Künstler statt eines Ingenieurs auch mal eine Grafik gemacht. Dazu kommt, dass bei den Spice-Modellen der Hersteller (oder dem einzigen, das ich mal fand) die Kompensations-Kapazität schlicht und ergreifen fehlt. Das fand ich heftig.
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Der Zahn der Zeit (🦷⏳) schrieb: > Wie definierst du den Begriff "Überschwingen"? Überschwingen bei der > Sprungantwort oder Peaking im Frequenzgang? Es gibt da kein "oder", immer nur beides. Bildquelle: Tietze/Schenk, Halbleiter-Schaltungstechnik > Die zusätzliche Phasendrehung spielt im > Audio-Bereich überhaupt keine Rolle. Es geht nicht um die Phasendrehung im Audio-Bereich, sondern um die Stabilität des OPV, das sind vollkommen verschiedene Dinge. > Da hat wohl ein Künstler statt eines Ingenieurs auch mal eine > Grafik gemacht. So ist das in den Datenblättern aller Hersteller. Der OPV hat mit 1kHz eine viel zu hohe erste Polfrequenz. Man muss bis 10MHz also 1 Verstärkungsdecade irgendwie loswerden. Dazu hat der eine Korrektur mit 2 Polen und einer Nullstelle (das ist die Trickserei für hohe Schleifenverstärkung im NF-Bereich), was zu einer sehr geringen Phasenreserve bei höheren Frequenzen führt.
Elliot schrieb: > Es gibt da kein "oder", immer nur beides. Bildquelle: Tietze/Schenk, > Halbleiter-Schaltungstechnik Definitiv falsch. Bessel-Tiefpass: (fast) kein Überschwingen, erst recht kein Peaking, Butterworth: Kein Peaking, aber Überschwingen. Nur weil es einen Bereich gibt, innerhalb dessen nur Überschwingen, aber kein Peaking existiert, sind diese Filtertypen definiert worden. Das ist auch in dem T/S-Diagramm zu erkennen(!) > Es geht nicht um die Phasendrehung im Audio-Bereich, sondern um die > Stabilität des OPV, das sind vollkommen verschiedene Dinge. Aber dem TO geht es ausschließlich um den Audio-Bereich, und mir in meiner 1. Antwort auch. Ich schließe auch nicht aus, dass es Überschwingen (also bei der Sprungantwort) in den simulierten Schaltungen gibt, aber eben bei ~10 MHz - und darum geht es in der Simulation gar nicht. > Der OPV hat mit 1kHz eine viel zu hohe erste Polfrequenz. Da sind wir uns einig. Die wird tatsächlich bei typisch 100 Hz liegen. Die folgenden Pole müssen für 1-Stabilität so hoch liegen, dass eine weitere 90°-Phasendrehung jenseits der Transit-Frequenz liegt. Und wir sind uns sicherlich auch einig, dass 1-Stabilität weder Abwesenheit von Peaking noch Überschwingen bedeutet. Ich würde das allerdings nicht Unterkompensation nennen. Aber das ist alles komplett am Thema der Fragestellung vorbei.
Der Zahn der Zeit (🦷⏳) schrieb: > Zur Frage, zunächst eine Gegenfrage: Sind die Frequenzgänge beider > Schaltungen identisch? Im wesentlichen ja. Die Grenzfrequenz unterscheidet sich um ein paar kHz - das spielt für die Analyse keine Rolle. > Wie du sicherlich weißt, sind Widerstände und Halbleiter Rauschquellen. > Ich unterstelle, dass dir bekannt ist, wie große deren Rauschen ist. > Wenn du jedes der Elemente als AC-Quelle nimmst und die > Übertragungsfunktion für diese Quelle simulierst (z. B. durch > Parallelschalten einer AC-Stromquelle zu den Widerständen), siehst du, > welches Element dominant beim Rauschen ist. Ich gehe davon aus, dass die > dominante Rauschquelle auch hauptsächlich das beobachtete Rauschspektrum > ergibt. Dann kannst du dessen Übertragungsfunktion ermitteln und siehst > auch in der dann, was da passiert. Das ist richtig. Ich wüsste jedoch nicht welches Element diese Frequenzabhängigkeit hervorrufen würde. Die Widerstände haben kein Frequenzverhalten, das Spannungsrauschen des OPVs schon, allerdings modellieren die Modelle in LT-Spice dies nicht soweit ich weiß. Ich habe gerade den Tipp befolgt und einen idealen OPV eingesetzt. Dieser zeigt die gleiche Überhöhung und diese ist auch vorhanden, wenn ich alle Widerstände als rauschfrei annehme. Daher wird es an der Topologie bzw. den Kondensatoren liegen. Eine genaue Erklärung fände ich trotzdem wünschenswert. > Dir wird sicherlich auch bekannt sein, das hochohmigere Widerstände > größere Rauschspannungen (und kleinere Rauschströme) erzeugen, und das > Rauschströme der OPVs an hochohmigeren Widerständen größere > Rauschspannungen erzeugen. Wenn's rauscharm sein soll, ist das zu > beachten. Das ist mir bekannt. Hinsichtlich dessen sind die Schaltungen auch schon optimiert. Die Sallen Key Variante würde sogar noch von niedrigeren Widerstände profitieren, allerdings werden wohl irgendwann Verzerrungen zunehmen, wenn die Feedback-Pfad stärker belastet wird.
avr schrieb: > Ich habe gerade den Tipp befolgt und einen idealen OPV eingesetzt. > Dieser zeigt die gleiche Überhöhung ... also ist er eine vernachlässigbare Rauschquelle (wenn das Modell stimmt), und die Betriebsspannung war auch nicht zu klein. > diese ist auch vorhanden, wenn ich alle Widerstände als rauschfrei annehme Kann man das in (d)einer Rauschsimulation? Vielleicht, wenn man die Betriebstemperatur auf 0K (-273 °C) legt? Ich verwende einen anderen Simulator, natürlich auch Spice-basiert, da könnte das klappen. Die Kondensatoren sind definitiv keine Rauschquelle. Wenn du - mit einem idealen OPV - alle Widerstände für die Simulation auf 1/100stel reduzierst und die Kondensatoren 100 x so groß machst, sollte das Rauschen um 20 dB sinken und der Rest bleibt. Das wäre ein schneller, aber eigentlich unwichtiger Versuch. Schalte lieber jedem Widerstand der Reihe nach eine AC-Stromquelle parallel (oder eine AC-Spannungsquelle in Reihe), Werte proportional bzw. umgekehrt proportional zum Widerstandswert und bestimme den Frequenzgang. Das wird ein erster Schritt bei des Rätsels Lösung. (Schön, dass wir wieder beim Thema sind)
Der Zahn der Zeit (🦷⏳) schrieb: > Aber das ist alles komplett am Thema der Fragestellung vorbei. Na wenn du meinst... Ich habe jedenfalls die Simulation mit idealem OPV und NE5532 gemacht. Der ideale macht nur die dem TO bekannte 1dB Überhöhung bei 24,8kHz, der NE5532 dagegen macht das was man oben sieht. Bin mal gespannt wie du das jetzt erklärst.
Ich glaube, das sollte ich nochmals spezifizieren: Mit idealem OPV und rauschfreien Widerstände (was auch immer das noiseless Attribut von LT-Spice macht, ist meines Wissens nicht dokumentiert), erhalte ich eine ähnliche Form der Rauschspannungsdichte. Ich habe ein Bild dazu angehängt. Signifikantes Rauschen ist hier nicht mehr vorhanden, die Rauschverstärkung/Überhöhung jedoch schon. Ist das hinzufügen von AC-Quellen in diesem Fall dennoch sinnvoll?
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avr schrieb: > Die Widerstände haben kein Frequenzverhaltens Das nicht, aber bei einem Filter ist der Strom durch die Widerstände frequenzabhängig. Der Zahn der Zeit (🦷⏳) schrieb: > Wenn du jedes der Elemente als AC-Quelle nimmst und die > Übertragungsfunktion für diese Quelle simulierst (z. B. durch > Parallelschalten einer AC-Stromquelle zu den Widerständen), siehst du, > welches Element dominant beim Rauschen ist. In LTspice kann man nach der .noise Analyse den Beitrag einzelner Komponenten zum Gesamtrauschen durch Anklicken anzeigen lassen. In Deinem Beispiel ist das R4, dessen "Frequenzgang" zeigt (in der .ac-Analyse) einen Peak bei ca. 35 kHz. @avr - kommt Dir dieser Wert bekannt vor?
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Burkhard K. schrieb: > den Beitrag einzelner Komponenten zum Gesamtrauschen durch Anklicken anzeigen Das ist ja genial! Jetzt sehe ich auch die Zusammenhänge ein: Bei niedrigen Frequenzen ist R4 (natürlich) dominant, denn seine Rauschspannung kann in voller Höhe zu der an C2 addiert werden, während die anderen beiden Widerstände sich "gegenseitig" so bedämpfen, dass beide zusammen wie 4k3||4k7, also ~2k2, also viel weniger, rauschen. Gleichzeitig führt eine an -In über ~5k angelegte Spannung zu einer Chebycheff-Characteristik mit den ~1 dB Peaking.
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Burkhard K. schrieb: > In LTspice kann man nach der .noise Analyse den Beitrag einzelner > Komponenten zum Gesamtrauschen durch Anklicken anzeigen lassen. Danke, das wusste ich nicht. Damit steht fest, dass beim Sallen Key hauptsächlich R7 verantwortlich ist. Allerdings kann ich mir selbst nicht erklären, warum dieser mit 750 so dominant ist. Auch R2 war dominant, aber den konnte ich nochmals verkleinern. Meine Grundannahme war, dass bezüglich des Rauschens eine nicht-invertierende Beschaltung besser abschneiden sollte, wenn die Verstärkung nahe 1 ist. Aktuell schneidet sie mit Bandbreite bis 100kHz knapp schlechter ab. Bis 20kHz ist sie besser; da frage ich mich, ob das Ohr als letzte Bandbegrenzung ausreichend ist.
avr schrieb: > Meine Grundannahme war, dass bezüglich des Rauschens eine > nicht-invertierende Beschaltung besser abschneiden sollte, wenn die > Verstärkung nahe 1 ist Das Stichwort lautet Noise-Gain. Kennst Du schon diese Seite: https://e2e.ti.com/blogs_/archives/b/precisionhub/archive/2014/03/24/noise-from-active-filters-an-unwelcome-surprise ? Bisher hatte ich SK-LPs wegen des effektiven Kurzschlusses bei hohen Frequenzen als eher unattraktiv verbucht. Offensichlich gibt es noch andere Aspekte. Wieder was dazu gelernt.
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Elliot schrieb: > Elliot schrieb: >> 1. der NE5532 ist für +-2,5V nicht geeignet > > Der TL071 übrigens auch nicht. Datenblatt lesen ist wohl uncool. Uncool ist auch der TL071 selbst. Hab ihn mit TL072 und TL074 früher sehr oft eingesetzt. Aber schon eher cooler ist, ist das LinCMOS-Baby vom TL071, den TLC271. Und wenn man dazu noch das Datenblatt zum TLC271 und seiner netten und aufgestellten Familienmitglieder TLC272 und TLC274 liest, ist das sogar obercool. Gnade für den TL07x! Für z.B. den Einsatz mit Ub = ±12V, ist auch dieser, wenn sonst genügend geeignet, cool. Supercoole Grüsse am Samichlaus-Tag Thomas
Burkhard K. schrieb: > https://e2e.ti.com/blogs_/archives/b/precisionhub/archive/2014/03/24/noise-from-active-filters-an-unwelcome-surprise Ein interessanter Artikel, danke, aber wenn ich mich nicht sehr täusche, betrifft er nur teilweise das, worum es hier geht. In diesem Artikel wird ausschließlich das Eingangsspannungsrauschen des OPVs berücksichtigt. Widerstandsrauschen und Eingangsstromrauschen werden ignoriert. Mal als Größenordnung: Ein sehr rauscharmer OPV (AD797, LT1128, INA103) hat ein Eingangsspannungsrauschen von ca. 1 nV/sqrt(Hz), das entspricht dem eines 60 Ohm Widerstands. Der NE5532 hat 5 nV/sqrt(Hz), entsprechend ca. 1,5 kOhm. Also wird beim NE5532 mit Widerstandswerten > 1 kOhm das Rauschverhalten merklich verschlechtert. Bei noch höheren Widerstandswerten wirkt sich das Eingangsstromrauschen (0,7 pA/sqrt(Hz) beim NE5532) noch schlimmer als die anderen beiden Quellen aus. avr schrieb: > Bis 20kHz ist sie besser; da frage ich mich, ob das > Ohr als letzte Bandbegrenzung ausreichend ist. Eine ähnliche Frage hattest du eingangs auch gestellt. Zwei Aspekte dazu, zumindest der erste wird dir auch bewusst sein: In der Regel gibt es in einer Signalübertragungskette einen Flaschenhals, der in einem bestimmten Aspekt eine Grenze vorgibt. Das kann z. B. eine Bandbreite sein, hier reden wir von Rauschen. Als Beispiel nehme ich mal einen ADC an: Wenn du dir einen guten Audio-ADC aussuchst, kann der im Bereich bis 20 kHz vielleicht 110 dB Dynamikbereich haben. Du würdest die Leistung, für die du bezahlt hast, verschwenden, wenn in der Ansteuerung des ADCs (der Signalkette davor) irgendein Glied mehr rauscht als der ADC. Umgekehrt, wenn du mit viel Aufwand das Rauschen der Vorstufen weit unter dem das ADCs hältst, ist das auch Verschwendung (nennt man auch vergebliche Liebesmühe). Also: Abwägen. Das Ohr: Natürlich merkt das Ohr eines Erwachsenen nix mehr von so hohen Frequenzen. Und Kleinkinder, die vielleicht noch einen winzigen Rest davon mitbekommen, ähhh - wie soll ich sagen... Oder diejenigen Audiophilen, die natürlich auch irgendwie 100 kHz wahrnehmen können... Aber in den Datenblätter steht das, wenn du sie veröffentlichst, oder wenn Andere dein Gerät messen und wiederum Andere diese Messwerte mit denen des Geräts deiner Konkurrenz vergleichen. Marketing!
Burkhard K. schrieb: > avr schrieb: >> Meine Grundannahme war, dass bezüglich des Rauschens eine >> nicht-invertierende Beschaltung besser abschneiden sollte, wenn die >> Verstärkung nahe 1 ist > > Das Stichwort lautet Noise-Gain. Kennst Du schon diese Seite: > https://e2e.ti.com/blogs_/archives/b/precisionhub/archive/2014/03/24/noise-from-active-filters-an-unwelcome-surprise Danke, das erklärt damit auch die Überhöhungen an der Grenzfrequenz. > Bisher hatte ich SK-LPs wegen des effektiven Kurzschlusses bei hohen > Frequenzen als eher unattraktiv verbucht. Der DAC hat intern einen analogen Filter. der bei sehr hohen Frequenzen gut dämpft. Da bin ich noch am Schauen, ob der in Kombination mit dem Sallen Key Filter ausreicht. @Der Zahn der Zeit Erst mal Danke für deine ausführlichen Antworten. Meine Limitierungen stehen schon fest und liegen bei 85µV Ausgangsrauschen bei 21.5dB Verstärkung (entspricht Eingangsseitig ~7µV rms). Mit einer Bandbreite von 25kHz liegt der Sallen Key bei 2.7µVrms und der MFB bei 4.4µVrms. Beides für mich soweit akzeptabel. Ich war nicht sicher, ob Rauschen wie andere Störanteile zu betrachten ist und somit durch Nichtlinearitäten in andere Frequenzbereiche gemischt werden kann. In diesem Falle wäre es möglicherweise ein Problem, wenn in dem System keine weitere Bandbegrenzung stattfindet.
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