Klirr von Operationsverstärkern

Hallo,
sieh einer an, es kennt jemand LIA's. Aber wer hat die schon. Du anscheinend und ich auf Arbeit.(Aber dort habe ich auch einen Audioanalyzer und nutze die LIA's eigentlich nicht.)
Da wundert mich dann aber Deine Frage in einen anderen Thread nach TDA2007???

AN 797 soll sicher AD797 heißen und wie niederohmig in Ohm ist "sehr niederohmig"?
Und wofür brauchst Du den extrem niedrigen Klirr? Wie groß ist Dein Signal? Was ist die oberste Frequenz, die Du bei welchen Pegel sauber ausgeben möchtest? An welche Last das ganze?...



Gruß

Da wundert mich dann aber Deine Frage in einen anderen Thread nach TDA2007???

Meinst du die Antwort, die ich da gegeben habe?
Ehrlich gesagt habe ich dort nicht allzu lange in den Schaltplan gesehen fand aber diese Variante in Bezug darauf, wie viel Phasenreserve dort "gefressen" wird etwas unkonventionell.
TDA 2007 Phasenschieber???

So back to Topic:
Meine Quelle hat nur ein paar miliohm und ist eigentlich eine Leiterbahn. So "richtig" niederohmig komme ich an die Leiterbahn nicht heran, da je nach Kabellänge das ganze anfängt zu schwingen (aus so einem LME 49990 schwitzt ganz schön viel aus den Eingängen heraus.)
Das ganze ist eine nette "Bastelwiese" aber im Moment möchte ich das ganze so angehen, dass dabei auch ein schönes Dokument herausspringt (Abschlussarbeit ;-).

Daher möchte ich zunächst mal einige Voruntersuchungen mit kleineren Zielen anstellen, die zudem einfach nachvollziebhar sind.

Letzten Ende geht es darum, an einer Leiterbahn den thermisch erzeugten Klirr zu messen. Diesen gibt es nämlich.

Daher möchte ich im Moment erstmal schauen wie weit man die Messtechnik treiben kann.
Wie ich deinem Profil entnehmen kann ist "Messtechnik" auch dein Stichwort
Der Lockinverstärker (ein neuerer DSP, welcher im Vergleich zu dem zweiten Voll analogen recht intuitiv bedienbar istl) hat einen ziemlich miesen THD, wenn man ihn ohne Notch ansteuert. Mit Notch Filter fehlt einem bei 30mV an der Leiterbahn zunehmend der Pegel. Daher wäre ein Preamp vor dem Notchfilter praktisch.
Die Hürde etwa 3A Klirrfrei treiben zu können habe ich schon in einem anderen Projekt gemeistert, von daher fehlt mir nun das letzte Puzzleteil in der Messtechnik.

Das Erforschen des Klirrs gehört aber weniger auf meiner "studentischen" Liste, als das "Messtechniktesten".

Aktuell ist jedenfalls ein Vorverstärker geplant, der wie bei Duglas Self aus einer ganzen Horde von parallel geschalteten Opamps besteht. Ob dort nun ein einfacher Differenzverstärker mit Verstärkung verwendet wird, oder ein Instrumentalverstärker (rauscht leider mehr in der Theorie...) wird sich dann zeigen. Eben dieser benötigt den "richtigen" Opamp den ich jetzt suchen möchte.

Bevor das Thema hier jedoch unübersichtlich wird, können wir über den ganzen Messtatnd auch gerne etwas per Mail/PM schnacken. Dort wo ich angestellt bin, fehlt es leider etwas an Analogspezialwissen und für Anregungen bin ich immer dankbar!

++Stefan++ (Beitrag #1) schrieb:

Weiter würden mich eure Meinungen zu einer kleinen "Mogelpackung" von Ti interessieren: Im Datenblatt des LME 49990 ist eine Schaltung beschrieben, mit der man im Prinzip die Reglerverstärkung heruntersetzten kann, ohne die Signalverstärkung zu verändern: Datenblatt SEITE 13 An für sich ist diese Schaltung für mich logisch, aber ist das wirklich Praxisgerecht oder "Datenblattheuchlerei?".

Das funktioniert schon. Auch Samuel Groner hat bei seiner OP-Charakterisierung so gearbeitet. Nachteil ist halt, daß die Bandbreite entsprechend der Rauschverstärkung runtergeht.

++Stefan++ (Beitrag #3) schrieb:

Meine Quelle hat nur ein paar miliohm und ist eigentlich eine Leiterbahn. So "richtig" niederohmig komme ich an die Leiterbahn nicht heran, da je nach Kabellänge das ganze anfängt zu schwingen (aus so einem LME 49990 schwitzt ganz schön viel aus den Eingängen heraus.) Das ganze ist eine nette "Bastelwiese" aber im Moment möchte ich das ganze so angehen, dass dabei auch ein schönes Dokument herausspringt (Abschlussarbeit ;-). Daher möchte ich zunächst mal einige Voruntersuchungen mit kleineren Zielen anstellen, die zudem einfach nachvollziebhar sind. Letzten Ende geht es darum, an einer Leiterbahn den thermisch erzeugten Klirr zu messen. Diesen gibt es nämlich.

Da fallen mir spontan zwei Sachen ein:
1. Ich würde wenn möglich versuchen, das "Problem" größer zu machen.
2. Irgendwie riecht das nach einem Anwendungsgebiet für eine Brückenschaltung.

Man muß sich das Leben ja nicht schwerer machen als nötig...

++Stefan++ (Beitrag #3) schrieb:

Aktuell ist jedenfalls ein Vorverstärker geplant, der wie bei Duglas Self aus einer ganzen Horde von parallel geschalteten Opamps besteht. Ob dort nun ein einfacher Differenzverstärker mit Verstärkung verwendet wird, oder ein Instrumentalverstärker (rauscht leider mehr in der Theorie...) wird sich dann zeigen. Eben dieser benötigt den "richtigen" Opamp den ich jetzt suchen möchte.

Ich bin ganz ehrlich kein besonderer Fan des "Hordenansatzes". Weswegen genau meinst du das denn zu brauchen?
1. Wenn es um das Thema Rauschen geht, dann würde ich im Zweifelsfall mit einer vorgeschalteten diskreten Differenzstufe arbeiten (bei entsprechenden Linearitätsanforderungen ggf. mit gebootstrapter Kaskode).
2. Ist dagegen viel Strom gefragt, würde ich eine diskrete Treiberstufe beäugen - oder wenigstens ein Rudel LME49600 oder so.

Das Selfsche 5532er-Grab ist 'ne witzige Idee, aber nicht gerade effizient. Mit 150 mA pro Kanal läßt sich auch anders was machen, ohne hunderte von Lötstellen.

Ich arbeite deinen Beitrag mal von Oben nach unten durch:

Das funktioniert schon. Auch Samuel Groner hat bei seiner OP-Charakterisierung so gearbeitet. Nachteil ist halt, daß die Bandbreite entsprechend der Rauschverstärkung runtergeht.

Vielen Dank für diesen tollen Link!
Ich hatte diese PDF mal vor Jahren angeschaut und damals konnte ich noch fast nichts damit anfangen!
Jetzt macht es auf einmal "pling", schön wenn man merkt man ist einen tick schlauer geworden.

Da fallen mir spontan zwei Sachen ein: 1. Ich würde wenn möglich versuchen, das "Problem" größer zu machen. 2. Irgendwie riecht das nach einem Anwendungsgebiet für eine Brückenschaltung.

Du meinst damit eher art Wheatstonebrücke oder eine H Brücke? (denke wohl eher ersteres?)

Das Problem ist leider, dass das DeviceUnderTest nicht wirklich in der Nähe der Verstärkerschaltung sitzt. Aus diesem Grunde sind bei mir die Ideen irgendwas "externes" in die Gegenkoppelung
zu bauen weggefallen.
Alle Beispiele die ich in der Literatur fand, bei dem die Linearität von Bauteilen geprüft wurden, haben Schwingkreise verwendet und das jeweilige Bauteil dort hineingebracht als Dämpfung. So gibt es untersuchungen aus den 1960er Jahren zu Kohleschichtwiderständen, bei den der Klirr bis -150db herunter gemessen wurde.
Hier hat man auch mit Wheatstonebrücken gearbeitet (das dazu gehörige Paper suche ich nochmal heraus).
Soweit ich weiß, gibt es sogar ein Messgerät dazu zu kaufen. Dieses funktioniert jedoch nur bis 300Ohm herunter.
In diesem Fall hat man den "Notch Filter" also schon in die Anregung mit hineingefügt.
Bei dieser Niederohmigkeit der Leiterbahn sind jedoch die Chancen auf eine solche Lösung im NF Bereich quasi gleich 0.

Für jeglichen Input bin ich aber sehr dankbar! Je länger man alleine brütet, desto verschossener ist man.
Aktuell misst man bei ausfallenden Leiterbahnen (oder Bonddrähten) nur den Widerstand. Dieser steigt jedoch nur kurz vor einem Reißen an. Theorethisch müsste der Klirr schon wesentlich früher und mit höherer Potenz ansteigen.
Aus diesem Grund der ganze Aufwand.

1. Wenn es um das Thema Rauschen geht, dann würde ich im Zweifelsfall mit einer vorgeschalteten diskreten Differenzstufe arbeiten (bei entsprechenden Linearitätsanforderungen ggf. mit gebootstrapter Kaskode).

Ehrlich gesagt, fehlt mir dazu ein wenig das Knowhow, denn schließlich müsste man dafür alles wirklich richtig machen, sonst landet man später auch nur bei einer schlechteren Performance als bei einem normalen Opamp selbst. Ich stelle mir das einfach sehr schwer vor, sobald man ein Bandbreitenmonster als Opamp verwendet.

2. Ist dagegen viel Strom gefragt, würde ich eine diskrete Treiberstufe beäugen - oder wenigstens ein Rudel LME49600 oder so.

So treibe ich bereits den Strom im Moment:
LME 49990 Instrumentalverstärker -> LM 7171 -> 6x Buf 634
Dieser Aufbau schreit zwar nach einer Kaskadenregelung, aber dazu blieb bisher zu wenig Zeit.

Ich schlug diese Verstärkeridee (die so ähnlich auch aus dem DIY forum stammt und in vielen Kopfhörerverstärkern arbeitet) mal in einem Uniprojekt Henry Westhphal vor. Entstanden ist letzten Endes ein Amp mit 36x BUF 634 pro Kanal entstanden. Tigris Elektronik

Als Vorverstärker hatte ich zunächst mal probiert die Duglas Self Idee zu "übertreiben" und habe probiert alle parallelen OPV's zu boostrapen mittels BUF 634. Das ganze ging trotz gut durchdachtem Layout ziemlich nach hinten los. Der Regelkreis war für mich kaum zu bändigen und vor allem war der Performancegewinn nicht unbedingt "Greifbar". Die LME's haben eben schon, im Vergleich zu einem TL71 oder NE5532 ziemlich gute Eingangsstufen.
Danach habe ich es dann "super simpel" probiert und bin wesentlich schneller schon zu guten Messwerten gekommen. Im Moment sind es 2 parallele Stränge, vom Aufwand also vertretbar.

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Um den Vorverstärker nochmal etwas mehr in den angedachter Aufbau einzubetten mal eine Skizze vom Gesamten:



Wieso also ein Vorverstärker?

Ich habe probiert den AD Wandler mal direkt an eine Leiterbahn anzuschließen, und schnell wurde mir klar, dass der Wandler an mit einer extrem hohen Gleichtaktsignal zu kämpfen hat.
Schaut man sich die Schaltung des EVM 4222 an, wird auch schnell klar wieso.
Zudem lässt sich ein Stück Leiterbahn gar nicht so niederohmig zur Bezugsmasse anschließen, als dass das Gleichtaktsignal überhaupt in der gleichen Größenordnung ist, wie das Nutzsignal.

Auch der Pegel von vielleicht 30-100mV am DUT ist zu schwach um den AD Wandler sinnvoll auszusteuern. Daher wollte ich einen Vorverstärker bauen, der den AD Wandler zumindest vor dem Gleichtaktsignal bewahrt.

Zudem hoffe ich darauf, dass der Aufbau vielleicht sogar OHNE Notch Filter auskommen kann, denn die AD Wandler sind richtig gut (etwa auf dem Niveau des Digitalteils eines AP27xx).
Der Notchfilter macht eigentlich nur Probleme. Obwohl ich den mit einer Heizung versehen habe (und auch der Oszillator auf konstante Temperatur gebracht wurde), kann man nur so zusehen wie sich der Filter verstimmt.
Desweiteren habe ich rausgefunden, das der AD Wandler am besten NICHT differentiell angesteuert wird. Das liegt daran, dass für mich die K3 Linie viel wichtiger ist, als die K2 Linie.
Daher kommt mir der Single Ended Ausgang eines Instrumtalverstärkers zugute.

Ziel ist es also, eine Verstärkung zu finden die
1. den AD Wandler gut aussteuert.
2. Das Signal/Rauschverhältnis verbessert (wobei der Rauschteppich des AD Wandlers ja schon extrem niedrig liegt).

Letzten Endes kosten AD Wandler wie das EVM 4222 Board und eine kleine Vorverstärkerplatine auch wesentlich weniger, als ein 16-Kanal Lockin Verstärker (Die Lockinverstärker lassen sich nämlich NICHT sinnvoll Multiplexen). Vor allem schaut man bei einem Lockinverstärker immer durch ein schmales Fenster.

Das Selfsche 5532er-Grab ist 'ne witzige Idee, aber nicht gerade effizient

Das hängt doch vom Standpunkt ab? Ein LME 49990 ist eben wesentlich teurer als ein NE 5532.
Solange der PCB Platz zur Verfügung steht, eigentlich keine so abwegige Idee. Ich fand Self bisher immer sehr schon "Ergebnisorientiert" eben mit möglichst wenig Mitteln gut durchdachte Schaltungen zu entwickeln. Sicherlich sind nun 16x NE 5532 etwas zu viel des guten ;-)
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P.s.:

Wieso interessiert mich gerade der im Moment so stark?

Ich möchte meine Bachelor Arbeit über diesen Verstärker schreiben. Im Grunde studiere ich schon viel zu lange (was auch daran liegt, das solche Projekte mir immer wichtiger waren als der "Unialltag"). Daher ist es im Moment wichtig sich ein Teil herauszupicken, das Überschaubar ist und auch für "nicht Messgeräteentwickler" verständlich und geschlossen wirkt. Über die gesamte Messkette im Detail zu schreiben würde weit über das Ziel hinausgehen!

Also vielleicht doch wieder Back to Topic -> Welche OPV's ???

Hallo,
30...100 mV sind doch schon mal ein guter Pegel.
Bei welcher Frequenz? Grundwelle und maximale Oberwelle, die Du erfassen möchtest.

Ein richtig großes Problem, über das hier noch nicht gesprochen wurde, könnte die Antennenwirkung solch einer Leiterbahn sein-und wieweit weg in cm ist den der Vorverstärker plazierbar?
Wie gut ist die Schirmung um das DUT?

Gruß

Hallo Ultraschall,
Die Grundwelle liegt bei 10Khz (oder Wahlweise auch 3,3Khz). Erfassen möchte ich eigentlich zunächst den K3.
Von einigen Zentimetern Entfernung träume ich, es sind später eher Meter zum DUT. Daher musste ich auch mit einem Eingangsfilter etwas herumspielen, damit das Ganze nicht unglaublich anfängt zu schwingen, sobald ich ein paar Meter XLR Kabel anstecke.

Aktuell ist das DUT auf dem Tisch noch nicht geschirmt, "Noch" haben sich da keine großen Probleme mit Radiofrequenzen aufgetan (heißt aber nicht, dass es nicht vielleicht noch komen mag).

Noch einen Schönen Abend, Stefan

Also ich würde nach erster Sichtung mit dem LME 49990 starten.
Fange doch mal an uns eine Schaltung incl. Eingangsfiltern Deinen Vorstellungen entsprechend vorzustellen.

Wenigstens könnte man bei 3,3 kHz die 50...350 Hz Störungen zusätzlich durch AC-Kopplung unterdrücken.

Aber prinzipiell gehört der erste Verstärker dicht ans Meßobjekt ran. Geht das gar nicht anders, sozusagen mit einen räumlich abgesetzten Vorverstärker?

Und dann würde ich auch zwei Varianten untersuchen:
a) der "klassische" Instrumentalverstärker mit drei OPV's
b) den einfachen Differenzverstärker mit einen OPV - wo die Eingangswiderstände zwar unterschiedlich sind-was aber bei der niederohmigen Quelle nicht wirklich stören sollte

Auch alles schön bei LTspice eingeben und simulieren.


Grüße

Hallo Ultraschall, ich kann momentan meine Schaltung hier nicht hochladen, da die Unterlagen nicht zuhause sind.

Für die Rauschberechnung und die Eingangswiderstände habe ich mir zum Optimieren auch schon ein analytisches Modell erstellt, dieses muss ich sowieso mit den Simulationen vergleichen. Hoffentlich komme ich übernächste Woche dazu.
Allerdings habe ich bei der Rauschmodellbildung eine Frage:
Ich habe den für die Verstärkung zuständigen Widerstand beim Instrumentalverstärker durch zwei Widerstände (halber Wert) gegen Masse "aufgetrennt".
So werden aber aus einer korrellierten Quelle zwei kleinere Unkorrellierte Quellen erstellt.

Anschließend wollte ich beide Nichtinvertierende Verstärker im Rauschen berechnen und dann geometrisch addieren.
Ist dieses Auftrennen so richtig?


(Entschuldigt den "Kladdenstyle")

Der Grund weshalb ich mich mit dem analytischen Modell "herumplage" ist einfach, dass es mir zu einem tieferen Verständniss hilft!

b) den einfachen Differenzverstärker mit einen OPV - wo die Eingangswiderstände zwar unterschiedlich sind-was aber bei der niederohmigen Quelle nicht wirklich stören sollte

Bei einer nicht symmetrischen Quelle sollte ja der unterschied der Eingangswiderstände auch kein Problem darstellen. Allerdings sehe ich da ein großes "Übel":
1.) Die Eingangswiderstände werden bei einer Verstärkung von 20db schon SEHR klein, wenn ich die Schaltung so dimensioniere dass etwa 20mA durch den OP-Amp fließen
2.) Die extrem unterschiedlichen Eingangswiderstände bei einem Gleichtakt und Gegentaktsignal machen doch das Aufbauen eines "ordentlichen" passiven Filter doch zu Nichte?
Zuerst ein asymmetrische bestückter Filter gegen Masse und dann eine Gleichtaktdrossel + Dämpfung?

Wenigstens könnte man bei 3,3 kHz die 50...350 Hz Störungen zusätzlich durch AC-Kopplung unterdrücken.

Die AC Koppelung wird bei dem Differenzverstärker auch sehr schwierig. Bisher habe ich bemerkt, dass selbst sehr gute Kondensatoren bei hohen Verschiebungsströmen zum Klirren neigen.
Die Styroreflexkondensatoren, die ich im Notchfilter verwende, zeigen am Eingang des AD Wandlers (600Ohm Eingangswiderstand) schon merkbar höheren Klirr.
Im Notchfilter, ist das aufgrund des ausbleibenden Stromes weniger ein Problem.

Dicht ans Messobjekt komme ich leider in der später geplanten Praxis nicht heran, denn ich möchte nur ungern den Vorverstärker gleich mit in die Thermozykelkammer setzten

In der nächsten Woche probiere ich erstmal die Testplatine aufzubauen und die aktuell geplante Schaltung hier einzustellen.

Als erstes zur Rauschberechnung : ja ist so richtig und ich nehme an Du meinst mit geometrisch addieren die quadratische Addition? Das ist dann auch richtig.

Okay, ich hätte erwartet 50 mV auf 1 V anzuheben, bin also innerlich eher von Spannungsverstärkung 20 = 26 dB ausgegangen.
Was ich nicht verstehe-warum willst Du 20 mA durch den OPV fließen lassen? Und was heißt durch? In die Gegenkopplung, in den Ausgang?
Das wären bei 1 Volt 50 Ohm Last.... eher klirrungünstig.

Ich hatte mal im Quick and Dirty Test Kondensatoren auf Klirr getestet und die WIMA waren sehr gut:
http://www.docdroid....irrfaktor-1.pdf.html
Ich habe dann darauf verzichtet, noch eine Stelle mehr am Audioanalyzer einzuschalten.


Gut Weiter....

Ich habe nochmal einen tieferen Blick in das Datenblatt geworfen.
20mA sind in der Tat sehr viel, 10mA sind aber schaffbar. Letzten Endes muss ich das in einem kleinen Vorversuch herausfinden, wie viel der OPV bei welchem Strom Verzerrt.

Gestern habe ich die Datenblätter nochmal etwas gegenübergestellt:



Dabei werde ich das Gefühl nicht los, dass der LM 49990 ein "nachgebauter" AD797 ist.
Beim LT1028 kam mir die Leerlaufverstärkung sehr hoch im Datenblatt vor.
Interessant ist das geringere Stromrauschen des LT1028.

Heute habe ich mal etwas herumgespielt. Simmuliert habe ich zunächst den Differenzverstärker mit LM 49990.


ZOOM:


Was man auf der X Achse sieht, ist die Verstärkung
Auf der Y Achse ist die Rauschspannungsdichte aufgetragen.
Die Kuvenschaar stellt jeweils den OPV Strom da, den ich bei 1V Ausgangsspannung "erlaubt" habe.
Die 10Kurven sind von außen nach innen von 1mA bis 10mA (Peak to Peak) abgestuft.

Einige mA sollte ich also schon durch die Gegenkoppelung sicken um ein gutes Signal/Rauschverhältnis zu erlangen.

Ich habe mal etwas weiter Simmuliert um zu schauen, wie viel Strom ich bei einem Differenzverstärkerst durch die Eingangsstufe schicken sollte, und wie viel durch den Differenzverstärker.
Diesmal bei einer Verstärkung von 10 und einer Ausgangspannung von 1V und einem maximalem Strom jedes von 10mA. Auf der X achse steht diesmal der Stromfluss durch den Impedanzwandler des Instrumentalverstärkers. Auf der Y Achse steht die Rauschspannungsdichte aufgetragen, geteilt durch die Verstärkung.


Demnach sollten also etwa 60% des Stromes für die Gegenkoppelung des Impedanzwandlers aufgebraucht werden. Ich hätte getippt, dass dies eigentlich mehr sein sollte.
Das Rauschen des Instrumentalverstärkers ist bei dem gleichem Strom jedoch fast um den Faktor 1,6 schlechter.

Das sind bisher alles nur Spielereien vor allem weil noch die Überprüfung mit Pspice fehlt.

Ich sehe beim LT... im Datenblatt auf Seite 8 links oben150 dB, was immer noch sehr viel ist.
Und dann schaue mal weiter unten auf der gleichen Seite, wie abhängig die Gain vom Lastwiderstand und Speisespannung ist. Die 169 dB sind bestimmte ein Werbewert an 10kOhm unter optimalen Bedingungen.

Jetzt ist die Frage, was ist Dir wichtiger Rauschen oder Klirr?

:-) Rauschen kann man durch Averagen (Durchschnittsbildung) nochmal schön runterdrücken.)Geht mit der Wurzel des Averagewertes runter- gibt Dir das wieder neue Möglichkeiten?

Ja und Versuche werden nötig sein, oft sind Datenblattangaben "schön geschrieben".
Und dann darf man nicht vergessen: k bei 1 kHz, Leerlaufverstärkung bei DC. Das sieht bei 10 kHz dann schon ein wenig schlechter aus. Und Du wirst ja bis mindestens 50 kHz auswerten, denke ich.

Im übrigen fände ich Widerstandswerte (und den Pegel) aussagekräftiger, als Stromangaben in den Diagrammen.

Ich hatte mal im Quick and Dirty Test Kondensatoren auf Klirr getestet und die WIMA waren sehr gut:

Hallo Ultraschall,
es sollte aber nicht unerwähnt bleiben, dass letztendlich jeder bedrahtete und vergleichbare Folienkondensator dieses Ergebnis erreicht hätte.
Mit Wima oder deren Qualität hat das nichts zu tun. Ich schreibe das, weil man das durchaus falsch verstehen könnte. In der Praxis würden diese Eigenschaften ohnehin weitgehend gleichgültig werden, sofern die Kondensatoren nicht gerade in einem NF-Messverstärker verbaut würden.