Den här tråden startade under "Dina mini-projekt!" men jag bryter nu ut den till en egen tråd (MOD för gärna ttäda / flytta...)
En liten En liten signalförstärkare för att mäta lågfrekvent brus på spänningsreferenser.
Ritade ihop ett kort med
- Lågpass tredje ordningen vid 10 Hz
- Högpass, andra ordningen vid 0.1Hz
- Gain 80dB (10.000 ggr)
- Automatisk nollning av ingångens offset (chopper opamp)
- Kan köras på, och monteras på, ett 9V batteri, ett batteri borde räcka minst 10 tim.
Första steget är en LT1028. "Typiska" data för den är 1nV/sqrtHz vid 10Hz, 3.5Hz 1/F-punkt och 35nV ptp 0.1Hz-10Hz. (Normalt är jag skeptisk till "typiska" data, men LT brukar enligt min erfarenhet inte direct överdriva).
För att ta till vara det låga ingångsbruset och förstärka låga mätsignaler upp till "vettiga" värden, så har ingången väldigt hög gain, 10.000 ggr.
Ingången har ett enkelt RC högpassfilter vid 0.1Hz, inimpedans 10Mohm och utgör också ett första ordningens LP vid 10Hz. Eftersom gain är så hög så måste offset minimeras / nollas. LT1028 har ingångar för att justera offset i det här fallet görs det av en LTC2057 chopper som känner av spänningen på ingången och nollar den. På köpet så sänker den bruset vid riktigt låga frekvenser, under en Hz. Kretsen är en modifierad variant av det som finns i databladet för LTC2057.
Sen följer ett andra steg, en enkel buffert med 1x gain och Sallen-Key lågpass, andra ordningens vid 10Hz.
Utgången är ett RC med 0.1Hz HP. AC-kopplingen på in respektive utgång kan förbikopplas och då försvinner förståss också 0.1Hz högpassfiltret.
En TLE2426 "rail splitter" fungerar som jord / mittpunkt så att man kan köra kretsen på ett batteri.
Så här ser utsignalen ut under 10 sekunder, med ingången kortsluten. Egenbruset alltså. Toppvärdena ligger på ca +/- 10nV. Under en tiominutersperiod mätte jag 34.6nVptp. Enligt databladet för LT1027 så är 35nVptp ett typiskt värde!
Egenbruset för tiosekundersintervall, under ca tio minuter ligger runt 3nV RMS (0.1hz-10Hz) i medel!! Då satt kortet helt oskyddad på bordet, matad med ett switchat bänkaggregat. Frågan är om det över huvud taget blir bättre med batteridrift. Moderna opampar är ju så otroligt störtåliga (PSRR), kan nästan matas med vilken taggtråd som helst. OK, liiiten överdrift.
Signalförstärkare för att mäta lågfrekvent brus
Signalförstärkare för att mäta lågfrekvent brus
Du har inte behörighet att öppna de filer som bifogats till detta inlägg.
Re: Signalförstärkare för att mäta lågfrekvent brus
Som vanligt tenderer saker att bli mer komplicerade än man trott. Så jag fick gå igenom hela kedjan, nätdel, rail splitter, gain, mätinstrument, mjukvara några ganger. Inte lätt att mäta på nanovoltnivå.
Nu gör jag om det hela från noll och presenterar resultat efter hand.
Först, bara LT1028 med 10.000 ggr förstärkning och analog lågpass från 10Hz I samma krets. Matat från bänknätaggregat, mittpunkt från TLE2426. Mätningen är sampled med 47Hz (för att undvika 50Hz som annars lätt dränker allt) 4700 mätningar per block (0.01Hz-23Hz). FFT som PSD (V/sqrtHz) medelvärdesbildat från 16 mätningar, dvs knappt en halvtimmes mätning. Enligt databladet ska vi få ungefär 1nV/sqrtHz over brytpunkten så mätningarna stämmer överens ganska OK med databladet. (-180dbV=1nV). Vid ca 10Hz tar LP-filtret vid.
RMS ligger som medelvärde under några timmar på ca 12nV inom 0.01-13 Hz. Under brytpunkten blir ju bruset högre än dom "förväntade" 1nV/sqrtHz.
Nu gör jag om det hela från noll och presenterar resultat efter hand.
Först, bara LT1028 med 10.000 ggr förstärkning och analog lågpass från 10Hz I samma krets. Matat från bänknätaggregat, mittpunkt från TLE2426. Mätningen är sampled med 47Hz (för att undvika 50Hz som annars lätt dränker allt) 4700 mätningar per block (0.01Hz-23Hz). FFT som PSD (V/sqrtHz) medelvärdesbildat från 16 mätningar, dvs knappt en halvtimmes mätning. Enligt databladet ska vi få ungefär 1nV/sqrtHz over brytpunkten så mätningarna stämmer överens ganska OK med databladet. (-180dbV=1nV). Vid ca 10Hz tar LP-filtret vid.
RMS ligger som medelvärde under några timmar på ca 12nV inom 0.01-13 Hz. Under brytpunkten blir ju bruset högre än dom "förväntade" 1nV/sqrtHz.
Du har inte behörighet att öppna de filer som bifogats till detta inlägg.
Re: Signalförstärkare för att mäta lågfrekvent brus
Körde brusberäkningar med LTSPICE på samma krets.
Vid 10Hz stämmer beräkningar och mätningar bra överens. Skalar man om diagrammen så ser man att det lågfrekventa bruset är mycket betydligt högre mätt än beräknat.
En kvalificerad gissning är att det höga bruset vid låga frekvenser beror på luftströmning runt komponenterna. Min burk hade säkert mer luftstörningar än LTs...
Jag hade kretsen i en liten burk. Med lock på burken mätte jag 12nV rms under en halvtimme. Utan lock på burken gick bruset upp till det dubbla. Förmodligen skulle man behöva bädda in kretsen i isolerskum för att få ner bruset riktigt lågt. En temperautrförändring på någon hundradels grad på en ingång ger lätt 100nV spänningsskillnad pga termoelementseffekten. Det är Johann Seebecks fel alltså!
En kvalificerad gissning är att det höga bruset vid låga frekvenser beror på luftströmning runt komponenterna. Min burk hade säkert mer luftstörningar än LTs...
Jag hade kretsen i en liten burk. Med lock på burken mätte jag 12nV rms under en halvtimme. Utan lock på burken gick bruset upp till det dubbla. Förmodligen skulle man behöva bädda in kretsen i isolerskum för att få ner bruset riktigt lågt. En temperautrförändring på någon hundradels grad på en ingång ger lätt 100nV spänningsskillnad pga termoelementseffekten. Det är Johann Seebecks fel alltså!
Du har inte behörighet att öppna de filer som bifogats till detta inlägg.
Re: Signalförstärkare för att mäta lågfrekvent brus
Har du någon mer dokumentation att dela med dig såsom något kopplingschema?
Sedan funderar jag lite på mätnoggrannheten vid 10 000 gångers förstärkning. 1% i drift hos fel komponent kan bidra till stort fel, därav kanske dålig temperaturstabilitet.
Vidare brukar jag själv också endast kortsluta ingångarna för att se egenbruset. Men hur ändrar detta egentligen resultat när en signal läggs på. Finns det något annat sätt att verifiera egenbruset än att mäta sig själv så att säga?
Sedan funderar jag lite på mätnoggrannheten vid 10 000 gångers förstärkning. 1% i drift hos fel komponent kan bidra till stort fel, därav kanske dålig temperaturstabilitet.
Vidare brukar jag själv också endast kortsluta ingångarna för att se egenbruset. Men hur ändrar detta egentligen resultat när en signal läggs på. Finns det något annat sätt att verifiera egenbruset än att mäta sig själv så att säga?
Re: Signalförstärkare för att mäta lågfrekvent brus
Skall man ha minsta påverkan när en signal är väldigt nära termiska brusgolvets nivåer (4e-18 mW/1Hz) eller så så bör man få till att källimpedansen och mottagarimpedanse så lika som möjligt - annars kommer sidan med den högsta resistiva resistansen att vara den mest bidragande i bruseffekt och kan dränka nyttosignalen (dvs minska i S/N) efter övergången om impedanshoppet är för stort.
inom högfrekvens och RF så räknar man med -174 dBm termisk bruseffekt vid 1 Hz bandbredd och 290 K och gäller alltid i impedansanpassad system oavsett impedans (dvs. är samma i 50 Ohm system som i 1MOhm system) och kortfattat så kan man säga att termiska bruset energiflöde ligger på 3.981e-21 Watt per 1 Hz och över 1 Ohm ger en spänning av 63.1 pV/1 Ohm resistans vid 1 Hz mätbandbredd - det ger tex. att 1MOhm ger 63.1 µV/1 Hz i termisk brus mätt som spänning i en impedansanpassad system.
Om teoretiska brusgolvet ligger på 63.1 pV/1Hz och OP-ampen är deklarerad till 1nV/Hz så får man ett förhållande 15.85 spänningsmässigt och översatt i dB så hamnar man på att OP-ampen har 24 dB i brusfaktor - en riktigt bra LNA-konstruktion inom RF kan ligga runt 0.8 dB i brusfaktor... så det finns nära 24 dB att vinna med bättre design!!!
Skall man förbättra sin OP-amp-lösning för ännu lägre brus så måste man börja titta på källimpedanser och mottagarimpedanser (i op-ampens första trissa) och det medför att OP-ampens impedans måste sänkas eller källimpedansen måste ökas via reaktiv transformering (det är bara den resistiva delen som ger brus - inte den reaktiva delen i impedansen) eller aktiv förstärkare med lägre impedans på ingången så att gapen mellan källimpedans och mottagarimpedans minskar om man vill minimera termiska bruset och maximera nyttosignalen.
det är lätt att bara tänka i spänning och/eller ström men det som är intressant i slutändan är hur mycket informationsenergi överlämnas till den förstärkande delen i första steget i förstärkaren (första trissan i OP-ampen) gentemot brusenergin som kommer samtidigt med nyttosignalen, ligger nyttoenergin i samma nivå som brusenergi så får man en signalnivåökning av 3 dB (spänningen ökar 1.41... gånger) om mätbandbredden är lika bred som signalenergins bandbredd.
inom högfrekvens och RF så räknar man med -174 dBm termisk bruseffekt vid 1 Hz bandbredd och 290 K och gäller alltid i impedansanpassad system oavsett impedans (dvs. är samma i 50 Ohm system som i 1MOhm system) och kortfattat så kan man säga att termiska bruset energiflöde ligger på 3.981e-21 Watt per 1 Hz och över 1 Ohm ger en spänning av 63.1 pV/1 Ohm resistans vid 1 Hz mätbandbredd - det ger tex. att 1MOhm ger 63.1 µV/1 Hz i termisk brus mätt som spänning i en impedansanpassad system.
Om teoretiska brusgolvet ligger på 63.1 pV/1Hz och OP-ampen är deklarerad till 1nV/Hz så får man ett förhållande 15.85 spänningsmässigt och översatt i dB så hamnar man på att OP-ampen har 24 dB i brusfaktor - en riktigt bra LNA-konstruktion inom RF kan ligga runt 0.8 dB i brusfaktor... så det finns nära 24 dB att vinna med bättre design!!!
Skall man förbättra sin OP-amp-lösning för ännu lägre brus så måste man börja titta på källimpedanser och mottagarimpedanser (i op-ampens första trissa) och det medför att OP-ampens impedans måste sänkas eller källimpedansen måste ökas via reaktiv transformering (det är bara den resistiva delen som ger brus - inte den reaktiva delen i impedansen) eller aktiv förstärkare med lägre impedans på ingången så att gapen mellan källimpedans och mottagarimpedans minskar om man vill minimera termiska bruset och maximera nyttosignalen.
det är lätt att bara tänka i spänning och/eller ström men det som är intressant i slutändan är hur mycket informationsenergi överlämnas till den förstärkande delen i första steget i förstärkaren (första trissan i OP-ampen) gentemot brusenergin som kommer samtidigt med nyttosignalen, ligger nyttoenergin i samma nivå som brusenergi så får man en signalnivåökning av 3 dB (spänningen ökar 1.41... gånger) om mätbandbredden är lika bred som signalenergins bandbredd.
Re: Signalförstärkare för att mäta lågfrekvent brus
Kan någon reda ut detta närmare? Jag har aldrig förstått varför man i lågfrekvensförstärkare ska impedansanpassa för att erhålla låg brusfaktor. Då man impedansanpassar fås max överförd signaleffekt från källan men man får ju samtidigt maximal överförd bruseffekt från källresistansen.xxargs skrev:Skall man förbättra sin OP-amp-lösning för ännu lägre brus så måste man börja titta på källimpedanser och mottagarimpedanser (i op-ampens första trissa) och det medför att OP-ampens impedans måste sänkas eller källimpedansen måste ökas via reaktiv transformering (det är bara den resistiva delen som ger brus - inte den reaktiva delen i impedansen) eller aktiv förstärkare med lägre impedans på ingången så att gapen mellan källimpedans och mottagarimpedans minskar om man vill minimera termiska bruset och maximera nyttosignalen.
Om man måste impedansanpassa för att erhålla låg brusfaktor så måste det ju vara något fel på nedanstående uträkning.
Kan någon påpeka för mig vad felet är!!
Antag följande:
T=298 K
Rs = 100 kohm (källresistans)
Operationförstärkare OPA827 med följande data ur databladet:
vN =4 nV/(Hz^0.5)
iN = 2,2 fA/(Hz^0.5)
Rin = 10^13 ohm
Brus från Rs:
vN1=(4kTRB)^0.5 = 40,6 nV/(Hz^0.5)
Ekvivalent ingångsbrus med källan kopplad till OP:
vN2=(vN1^2 + vN^2 +(Rs*iN)^2)^0.5 = 40,8 nV/(Hz^0.5)
Brusfaktor NF= 20 log(vN2/vN1) = 20 log(40,8/40,6) = 0.043 dB
Operationsförstärkarens inresistans är ju våldsamt missanpassad till källan men ändå är brusfaktorn mycket låg!!!!!!
