INA131 cascade

Het gaat hier om een zeer klein signaal afkomstig uit een microgolf mixer. De uitgangsimpedantie is dus klein, evenals het signaal. Het signaal zit rond 10kHz.

De INA131 had ik eigenlijk gekozen omdat deze gemakkelijk in het gebruik is (geen externe weerstanden). De AD797 daarentegen is uitstekend geschikt als eerste trap. Deze zou ik schakelen met 100x versterking (i.p.v. 10). Deze wordt dan weer gevolgd door een actieve filter (bandpass, tweede orde Sallen-Key, met dank aan FilterPro van TI) met een versterking van x10. Op die manier kom ik al aan 60dB versterking. Voor de filter dacht ik aan OPA604 opamps van BB/TI.

Hierna nog twee opamps: opnieuw twee OPA604's, elks met 30dB versterking, optioneel.

In totaal zou er rond de 120dB gain (maximaal, 60dB minimaal) in het blik moeten zitten.

Op 22 augustus 2013 20:06:48 schreef mathias718:
Het gaat hier om een zeer klein signaal afkomstig uit een microgolf mixer. De uitgangsimpedantie is dus klein, evenals het signaal. Het signaal zit rond 10kHz.

Wat versta je onder 'zeer klein'?

Wat je het beste kan doen is een (super) low-noise versterker als eerste trap te nemen, en de rest nog kleine naversterkingen te doen. De eerste trap is meest kritisch omdat die aan de bron hangt en de hoogste versterking heeft. Ook alle ruis die deze trap produceert wordt versterkt. Al zou je hier een lage versterking nemen, zou de ruis van deze trap met een grotere factor mee versterkt worden (wat je dus juist niet wilt doen).

Dan vind ik eerlijk gezegd een versterking van 100x erg laag. Begin eens met 1000x, en kijk eens rond naar instrumentation amplifiers van 10000x. Deze zal je waarschijnlijk wel met 1 weerstand moeten instellen (soms niet), en zullen vast ook wat kosten, maar zijn ook meer ontworpen voor deze taak.

Desalniettemin kan je een aardige bak (of alleen maar..) ruis verwachten als je echt voor 120dB gaat. Ik heb een keer in een power meter project een versterkerstrap gebouwd van 1000x + 50x. De eerste trap was specifiek uitgezocht voor een zo laag mogelijke ruis vloer op lage frequenties (0.1 .. 1kHz). De bandbreedte werd daarna direct beperkt.
Zonder oversampling op een 16-bit ADC kreeg ik zo'n 10-bits ruisvrij binnen. Na oversamplen was dat significant meer, maar in dat project hadden we aardig wat samples over (ADC was 250x te snel).

Bovendien, waarom heb je eigenlijk een versterking van 1,000,000 x nodig? Moet je nV gaan meten? Dan mag je je borst ook gaan nat maken wat betreft connectoren enz. , bi-metaaltjes die onverwachte spanningsvallen creeeren enz.

Hi mathias718,

Wat je als eerste moet weten is, de bron impedantie van wat je wilt gaan versterken.

De zeer goede AD797, LT1028 enz zijn zeer ruisarm en hebben een redelijk grote bandbreedte.
Dit houd in dat je hen vrij veel kan laten versterken bij de 10Khz die je nodig hebt.

Maar... als de impedantie hoger wordt dan ff met een natte vinger, rond de 200 Ohm, dan zijn gauw deze opamps niet meer geschikt door de vrij hoge stroomruis.
Zonder extra info over je te versterken signaal zoals bandbreedte, commonmode, piek spannings niveau is er niets met enige zekerheid te zeggen wat je zou kunnen doen.

Wat betreft versterking in 1 metalen doosje, 1000x moet goed mogelijk zijn bij goede opbouw.
Als je b.v. met 2 trapjes werkt geef ieder een eigen spanning regelaar.
Let op de paden van de ontkoppel stromen, breng schijding aan tussen de trapjes met een stukje blik/print.
Van links naar rechts zoals je ook een schema tekend werkt bijna altijd goed.
Ingang links en voeding en uitgang rechts naar buiten laten komen.

De INA131 is niet echt een "lage ruis" instrumentatie versterker...

Laat eens zijn hoe het schema er uit ziet, zodat we kunnen bepalen welke opamp/schakeling goed voor jouw toepassing is.

Gegroet,
Blackdog

PS,

Je wilt 1.000.000 keer versterken, met wat voor dynamisch bereik?
Ga je de laatste trapjes met + en - 100V voeden om wat "ruimte" te houden *grin*

Misschien is 120dB wel iets te veel van het goede.

Spanningsregelaars gebruik ik over het algemeen niet graag, veel liever een aantal 9V batterijen.

Ik zal proberen later vandaag een schema te laten zien.

Hi mathias718,

Je hebt het over een signaal uit een mixer, is dit 50 Ohm?
Welke bandbreedte het je nodig, gaat het om 0 tot 10Khz of is het een stukje bandbreedte van zeg 2Khz rond de 10Khz?

Verder zou ik opletten met je filters te veel laten versterken als je rond de 10Khz lowpass gaat maken.
De openloop gain van de opamps is op die frequentie al flink veel lager.
Wil je dan een nette flanken hebben en goede demping dan zit je gouw aan erg snelle opamps.

Je zal goed moeten nadenken over de gehele keten wat de ruis bijdrage is van iedere trap, wat je zelf al aangeeft, de terugkoppeling via de voeding, wat komt er aan de uitgang van deze schakeling, wat is het dynamische bereik, enz.

Met die hoge gains heb ik veel gewerkt en komt ook regelmatig voor in 100V omroep systemen.
Daar gaat het meestal ook goed.

Ik ben het eens met een hans1990 dat je waarschijnlijk als het altijd zeer kleine signalen zijn die je versterkt de eerste trap zo rond de 500 a 1000x moet laten versterken.

De weerstand van de -ingang naar ground moet je als je de AD797 of de LT1028 gebruikt erg klein maken, 3,3 tot 4,7 Ohm.
De rede is dat de ruis van deze weerstand 1000x versterkt wordt en als deze een te hoge waarde heeft
de ruis alleen door deze weerstand bepaald wordt en niet door de ruis van de ingangs transistoren en hun bias netwerk.

Hier wat info over ruis in versterkertrapjes van Matt Duff, application Engeneer bij Analog Devices.
Matt heeft ook de gave zeer duidelijk te zijn en het is jammer dat hij niet wat meer video's maakt...

Deze is voor een enkele opamp
http://www.youtube.com/watch?v=W0vfALQ_n54

En deze is met een instrumentatie versterker
http://www.youtube.com/watch?v=ZaDK-Nqfp-U

Gegroet,
Blackdog

De uitgangsimpedantie van de mixer (ZX05-153+) is me niet helemaal duidelijk bij zulks een lage frequenties, maar afgaande of de VSWR curves zou ik schatten tussen de 50 en 75 Ohm.

Als ik dan een weerstand van 3.3 of 4.7 Ohm aan mijn opamp ingang hang, ben ik wel een groot stuk van mijn signaal kwijt. Is het dan niet beter om de ingangsweerstand hoger te maken, eerder 200 Ohm?

Het gezochte signaal ligt tussen 9kHz en 11kHz.

Momenteel lukt het me om de RF straling te meten van een stuk microstrip (7cm) op een afstand van 50m, bij een vermogen van 100mW en een stukje coax (5cm) als antenne.

Alvast bedankt voor jullie reacties.

PS: Ik gebruik AC-koppeling omdat de mixer ook (willekeurige) DC spanningen kan leveren die mij niet interesseren.

[edit]
Ik dacht net nog aan iets: voor de DC-coupling weerstand aan de ingang van de opamp, maakt het toch niet zo veel uit zodra deze groter wordt dan 50 Ohm omdat die parallel staat met de uitgangsimpedantie van 50 Ohm. 50 Ohm is dan de dominerende weerstand in de ruis.

Een schetsje:

Hi mathias718,

Ik denk dat je mij niet helemaal begrijpt, zal wel door mijn uitleg komen
Om je een stukje in de goede richting te helpen heb ik je eerste trapje even voor je getekend.
Dit is het startschema voor je an ik zal uitleggen waarom bepaalde keuzes heb gedaan.

Ik ben uitgegaan van de AD797 opamp.
Voor DC versterkt hij 1x.
R1 en C1 geeft een kantelpunt van ongeveer 34Hz.
R1 is de belasting die je mixer ziet, geen idee of je mixer met 50 Ohm moet worden afgesloten i.v.m. I.M.D. vervorming.
Moet hij wel met 50 Ohm worden afgesloten doe dit dan VOOR C1.

Waarom de grote waarde van C1, dit is om een lage Rc te hebben voor het frequentie gebied dat jou van belang is.

R2 en C2, deze zorgen voor een DC gain van 1x en een kantelpunt (High Pass) van ongeveer 3Khz.
Dit haald een flink deel van de lage ruis, DC shifts uit het signaal.
De grote waarde voor C2 kan je uit een paar film condensatoren samenstellen.
Als optie kan je R2 b.v. 10 Ohm maken, C2 4u7 en R3 10K. C5 zal je dan vrijwel zeker moeten toepassen.
Begin met een waarde van 100 a 150pF.

C6 en R4 zorgen voor een AC uitkoppeling en heeft een kantelpunt van ongeveer 34Hz.
Deze combie zal moeten worden aangpast als nodig afhankelijk van de schakeling die er achter komt.

Dan hebben we ook nog C3 en C4, deze zorgen voor de-compensatie van de opamp om er voor te zorgen dat je meer loopgain hebt,
hierdoor wordt de vervorming lager en de uitgangsweerstand van de opamp ook.

C5 is misschien nodig, maar ik heb het vermoede van niet, omdat de weerstandwaarden vrij laag zijn rond de tegenkoppeling.
Dit hangt ondermeer van je bedradings techniek af.

Ik heb geen ontkoppeling getekend om het even wat duidelijker te houden.
Volg de voorschriften in de datasheet.

Waarom geen enkele voeding, dit is namalijk vragen om moeilijkheden.
Je hebt dan een spanningdeler of een referentie nodig op de halve voedingspanning.
Het wordt erg lastig dit schoon genoeg te krijgen zodat de ruis op dit punt niet ook 1000x versterkt wordt, enkele voeding is dus een NO-NO!
Dan heb ik het nog niet over de sterke inschakel verschijnselen door de grote RC tijden die je moet toepassen.

Is dit de perfecte schakeling voor jou?
Het is een goed uitganspunt en er zal wat aan gesleuteld moeten worden afhankelijk van wat er voor en achter komt.

Ik hoop dat je dit redelijk opweg help.

Gegroet,
Blackdog

Bedankt voor het schema blackdog!

In verband met de voeding: ik zou wel degelijk een symmetrische voeding gebruiken, maar met twee 9V batterijen in plaats van regulators. Persoonlijk vind ik het mooier als low noise dingen op batterijen werken en is er nooit een probleem met PSRR en dat soort dingen.

Daarnaast zou ik condensator C1 kleiner nemen, zodat 50Hz en zijn harmonischen al onderdrukt worden alvorens de opamp te bereiken.

Ik ga nu wat spelen met LTSpice.

Hi mathias718,

De grote waarde is niet voor onderdrukking maar om een laag ruisgetal te houden.
Als je het netjes opbouwd heb je toch geen last van 50Hz aan de ingang?
Je hebt een lage impedantie vanuit je mixer, met een goede kabel en een afgeschermde voorversterker moet dit geen probbleem zijn.

Hou er rekening mee dat de waarden die ik je geef in het schema met opzet zo zijn.
Hier is over nagedacht, jij wilt erg weinig ruis dus zal je je redelijk aan de hier gegeven onderdelen moeten houden.

Je mag van mij lekker met Spice bezig gaan, er is echter maar een ding dat echt werk voor een goede indruk, bouwen die handel!

De eerste trap achter deze preamp kan je b.v. een 2 opamp higpass filter maken die totaal 10x versterkt,
dan een opamp die je laat schakelen tussen b.v. 10 en 100x en daarna je Low Pass dual opamp,
die als dat nodig is ook totaal 10x laat versterken.

Wat voor soort filter karakteristiek je moet gebruiken weet ik niet,
omdat ik niet weet wat je met het uitgangs signaal gaat doen.
Bessel is goed voor fase gedrag maar de minst stijle helling.
Butterworth zit er tussen in.
Chebychev filtert lekker stijl, maar geeft ringing en veel fase onrust in je doorlaat gebied.

Succes er mee!

Blackdog

De componenten zijn al besteld! Maandag ga ik hem bouwen en uitproberen. Ik hou jullie op de hoogte.

Op 23 augustus 2013 13:16:19 schreef mathias718:
In verband met de voeding: ik zou wel degelijk een symmetrische voeding gebruiken, maar met twee 9V batterijen in plaats van regulators.

Bij gebruik van meerdere batterijen heb je te maken met verschillende spanningen waardoor de PSRR verslechtert.

PSRR blijft belangrijk, door het scheeftrekken, en een batterij ruist meer dan je zou denken. En verder loopt de inwendige weerstand bij ontlading sterk op waardoor zonder maatregelen de voedingslijnen instabiel kunnen worden.

Met een gestabiliseerde netvoeding heb je, bij een goed ontwerp, meteen al die factoren in je greep. van 50Hz op de ingang mag je idd sowieso geen last hebben.

Een goede voeding is het halve werk.

Kan een 7812 / 7912 met elco's/tantaals (~1000-4700uF) + keramische condensators voldoende zijn als degelijke voeding?

Achter de 78xx/79xx een paar REF IC's als voeding voor de 1e opamp.
Beter 2,2uF MKP.

Hi mathias718,

de 7800 en de 7900 series stabilisatoren staan nu niet echt bekend om hun ruisvrijheid...

Je kan beter de LM317 en LM337 nemen, deze goed ontkoppelen en daarna een serie weerstand opnemen met daarachter een elco van zeg 1000uF.
Direct een 1000uF achter een stabilisator is geen goed idee.
En wel hierom, die stabalisator heeft voor het positieve deel een heel lage uitgangsweerstand en dan doet die 1000uF maar een heel klein beetje aan demping.
Verder vinden sommige stabilisatoren die grote capaciteiten aan de uitgang niet leuk.
Een oplossing is een serie weerstand na de LM317 opnemen en daar dan de dikke elko achter te zetten.
De eerste trap is meestal het gevoeligst voor voor ruis uit de voeding.
Daar dit waarschijnlijk 1 IC betreft, is de stroomopname vrijstabiel en kan je de serie weerstand zo maken dat je ongeveer een 0,5V DC er over hebt staan.
Bij de AD797 is de stroom rond de 10mA dus wordt je serie weerstand 47 Ohm en dan de 1000uF nar ground, kantelpunt rond de 3,5 hz.

Een andere oplossing is de shunt regelaar TL 431, daar heb je geen negatieve versie van,
maar dat is ook niet nodig daar je hem aansluit als zener met een serie weerstand.

Wat rbeckers voorsteld kan ook 78 en 7900 stab en dan 2 spannings referenties nemen.
Het nadeel hiervan is, dat niet veel referenties goed omgaan met de 10mA die je nodig hebt.
Dan moet je weer aan de gang met transistoren om de referentie heen om de uitgansstroom te vergroten.

Hieronder een stukje uit een meetinstrument dat ik heb ontworpen dat zeer kleine signalen meet.
En dit is de voeding voor de opamps, ik gebruik 2x en 9V batterij en breng dat ruisarm omlaag
naar + en - 4V voor de opamps.

Maar...
Ik denk dat je beter af bent met een goed ontworpen TL431 schakeling, deze is simpel en heeft weinig ruis als shunt regulator.

als je met de TL431 wilt experimenteren staat hieronder de link naar mijn server met een Excel sheet voor calculatie.
http://www.bramcam.nl/Diversen/tl431.xls

Waarschijnlijk heb je een TL431 al voldoende in huis, zit in bijna iedere computer voeding!

Gegroet,
Blackdog

Tip:
Een INA heeft een betere CMRR bij hogere versterking, laat hem dus flink versterken.

Persoonlijk houd ik wel van shunt regeling (b.v. LM431) als het spannender wordt, niet efficient, maar je houd de AC-stroomkringen zonder filtering mooi locaal.

Overdimensioneren kan, maar houd in de gaten of het zinnig is. Als de zelfinductie van de verbindingen of ESR te groot is doet het niets. Het juiste kleine c'tje op de juiste plek met foutloze routing doet gemakkelijk veel meer.

[edit] We dachten in dezelfde richting zie ik

De TL431 lijkt me wel interessant, bedankt trouwens blackdog voor de spreadsheet.

Op 24 augustus 2013 09:48:53 schreef rbeckers:
Achter de 78xx/79xx een paar REF IC's als voeding voor de 1e opamp.
Beter 2,2uF MKP.

Voor de regelaars een low pass filter toepassen, bijv 2.2Ω/4700µF. Dan is er geen bromaandeel op de uitgang van een LM317 aanwezig, alleen nog maar ruis a -90dBu.

Misschien heb je hier nog wat aan:
http://www.techlib.com/electronics/finesse.html
Dhr. C.Wenzel maakt onder andere industriële ruisarme oscillators dus hij weet waar hij het over heeft.

Low pass filter voor de regelaar helpt goed.
Dat heb ik vaker toegepast.
Het hangt natuurlijk van de eisen af welke combinatie nodig is.

Hi heren,

Als hij uit gaat van het schema uit mijn voeding dan is de brom/ruis laag genoeg. ik kwam aan rond de 20uV voor een hele simpel schakeling.

Om brom te verminderen kan altijd een tweede 1000uF buffer elko aan de ingang gebruikt worden met zeg 10 tot 50 Ohm serie weerstand afhankelijk van de opgenomen stroom.

Ik denk dat schakelingen die uitgebreider zijn het niet echt waard zijn door de hoge onderdrukking op de voedinglijnen van het voorversterker IC.
Bij de INA 131 rond de 120dB tot 100Hz en de AD797 ook rond deze waarden.

Een simpele goed ingestelde TL431 lijkt mij voldoende, beter mag maar zonde van de tijd in mijn ogen.

Gegroet,
Blackdog

Op 25 augustus 2013 20:11:43 schreef blackdog:
Als hij uit gaat van het schema uit mijn voeding dan is de brom/ruis laag genoeg. ik kwam aan rond de 20uV voor een hele simpel schakeling.

Zeker, kwa ruis heeft betrekking op standaard regelaars die (delen van) 741 achtige opamps bevatten.

Op deze site kwam ik ook nog tegen dat het interessant is om een redelijk grote condensator te plaatsen tussen de kathode en de referentie. Zo kan de TL431, via meer feedback in de audiofrequenties, de ruis onderdrukken.

Update: prototype is af en werkt naar behoren. Nu aanwezig is de eerste trap (x1000) en tweede trap (x100). Geen oscillaties of brom te bespeuren.

Als test heb ik een 10kHz signaal ingestuurd ~3uV (4.6 Ohm / 1 MOhm spanningsdeler) en dit x100,000 versterkt. De gemeten versterking is ongeveer 88,000.

Het oorspronkelijke (voor de spanningsdeler!) en versterkte signaal heb ik eens bekeken met de 'scoop:

De constructie kan je in dit topic bekijken.

[Bericht gewijzigd door mathias718 op donderdag 29 augustus 2013 15:34:12 (11%)]