Defektoskopie 2010, 10. až 12. 11. 2010, Plzeň
Josef BAJER Karel HÁJEK Á
Univerzita obrany Brno Katedra elektrotechniky
NÍZKOŠUMOVÉ NAPĚŤOVÉ A NÁBOJOVÉ PŘEDZESILOVAČE PRO PIEZOSNÍMAČE
OBSAH • Úvod Ú • Varianty realizované pomocí operačních zesilovačů (OZ) • Rezistory pro eliminaci svodového proudu OZ R it li i i d éh d OZ • Zdroje šumu • Porovnání základních variant z hlediska šumových vlastností Porovnání základních variant z hlediska šumových vlastností • Napěťový šum EnV • Proudový šum E Proudový šum EnI • Tepelný šum RI resp. RIN • Důležité parametry z hlediska posouzení šumových vlastností zesilovače Důležité parametry z hlediska posouzení šumových vlastností zesilovače • Praktické závěry
NÍZKOŠUMOVÉ NAPĚŤOVÉ A NÁBOJOVÉ PŘEDZESILOVAČE PRO PIEZOSNÍMAČE Ú d Úvod • v aplikacích bez vnějšího rušení je citlivost měření dána šumem předzesilovače • existují dva základní typy předzesilovačů z hlediska principu • napěťový zesilovač • nábojový zesilovač j ý • každý z typů může být vhodný pro jinou aplikaci ‐ porovnání • výrobci často uvádějí neúplné informace • snaha o sjednocení způsobu udávání parametrů
NÍZKOŠUMOVÉ NAPĚŤOVÉ A NÁBOJOVÉ PŘEDZESILOVAČE PRO PIEZOSNÍMAČE Varianty realizované pomocí operačních zesilovačů (OZ) Varianty realizované pomocí operačních zesilovačů (OZ)
Zesílení je nastaveno poměrem rezistorů uvnitř zesilovače.
Zesílení určuje kromě integrační kapacity uvnitř zesilovače i kapacita piezoměniče.
NÍZKOŠUMOVÉ NAPĚŤOVÉ A NÁBOJOVÉ PŘEDZESILOVAČE PRO PIEZOSNÍMAČE Rezistory pro eliminaci svodového proudu OZ yp p napěťový zes. CS US
R1
CK a)
nábojový zes.
R2
US
CI CS CK
RIN
A = 1+R2 / R1 fc =
1 2πRIN (C S + CIN )
b)
RI A = CS / CI fc =
1 2πRICI
Čím větší svodový rezistor, tím nižší mezní kmitočet. pro CMOS vstupy OZ svodový rezistor ý cca. 100 MΩ až 1 GΩ
Stejnosměrný ofset cca. 100 MΩ * 250 pA = 25 mV
NÍZKOŠUMOVÉ NAPĚŤOVÉ A NÁBOJOVÉ PŘEDZESILOVAČE PRO PIEZOSNÍMAČE Zdroje šumu j
Z=
1 1 / RIN + jωC S
2 U nΣ = U n2Rs + U n2IZ + U nV
Ekvivalentní vstupní šumové napětí závisí na použité šířce pásma napěťová (proudová) šumová spektrální hustota EnV [nV/√Hz] [ / ] EnI [pA/ √Hz]
NÍZKOŠUMOVÉ NAPĚŤOVÉ A NÁBOJOVÉ PŘEDZESILOVAČE PRO PIEZOSNÍMAČE Porovnání základních variant z hlediska šumových vlastností Porovnání základních variant z hlediska šumových vlastností
Dva možné přístupy: a) obě zapojení jsou navrženy pro stejný mezní kmitočet fc. Pak musí být Ri=A.Rin b) v obou zapojeních je použit stejný odpor Ri=Rin (s co nejvyšší hodnotou). Pak napěťový zesilovač bude mít pro stejné zesílení mezní kmitočet fc A‐krát nižší než nábojový zesilovač.
NÍZKOŠUMOVÉ NAPĚŤOVÉ A NÁBOJOVÉ PŘEDZESILOVAČE PRO PIEZOSNÍMAČE
napěťový šum EnV
proudový šum EnI
tepelný šum RI resp. RIN
Přístupy: RI=A.R A.RIN (fc1=ffc2) RI=RIN p p pro pásmo zesilovače f>f c v podstatě nehraje roli
NÍZKOŠUMOVÉ NAPĚŤOVÉ A NÁBOJOVÉ PŘEDZESILOVAČE PRO PIEZOSNÍMAČE
napěťový šum EnV
proudový šum EnI
tepelný šum RI resp. RIN napěťový zesilovač
nábojový zesilovač
2 EnIZ = EnI / 1 / RIN + ω 2CS2
EnIZ = EnI / ωC S
Přístupy: RI=A.RIN (fc1=fc2) RI=R RIN
f I −U
E nI = E nV 2πC S
opět shodné, jelikož zde má dominantní vliv kapacita C p s Čím vyšší Cs, tím méně se projeví proudový šum
NÍZKOŠUMOVÉ NAPĚŤOVÉ A NÁBOJOVÉ PŘEDZESILOVAČE PRO PIEZOSNÍMAČE
napěťový šum EnV
proudový šum EnI
tepelný šum RI resp. RIN Přístupy: RI=A.R A.RIN (fc11=ffc22) Nábojový zesilovač lepší úměrně √A. Zároveň kmitočet fR‐U je pro nábojový zesilovač nižší. RI=RIN Nábojový i napěťový zesilovač bude mít v podstatě shodný tepelný šum p ý p ý odporu R, přičemž i fR‐U bude u obou variant shodný.
NÍZKOŠUMOVÉ NAPĚŤOVÉ A NÁBOJOVÉ PŘEDZESILOVAČE PRO PIEZOSNÍMAČE Celková ekvivalentní napěťová šumová spektrální hustota je dána součtem všech zdrojů Celková ekvivalentní napěťová šumová spektrální hustota je dána součtem všech zdrojů šumu: 2 EnΣ = En2R + En2IZ + EnV V
Dominovat bude tepelný šum nad proudovým v D i tb d t l ýš d d ý případě, kdy:
RIN ( RI ) <
4kT EnI2
NÍZKOŠUMOVÉ NAPĚŤOVÉ A NÁBOJOVÉ PŘEDZESILOVAČE PRO PIEZOSNÍMAČE Co potřebujeme znát pro jednoznačné posouzení konkrétního předzesilovače z hlediska jeho šumových vlastností
napěťový zesilovač
A RIN
nábojový zesilovač
EnV Cs
EnI
CI RI
Pokud kmitočtové pásmo zasahuje do oblasti šumu 1/f (cca. pod 100 Hz) je nutné znát navíc fL a E navíc f a EnV1Hz. Někdy výrobce udává přímo ekvivalentní šumové napětí v tomto pásmu. Někdy výrobce udává přímo ekvivalentní šumové napětí v tomto pásmu
NÍZKOŠUMOVÉ NAPĚŤOVÉ A NÁBOJOVÉ PŘEDZESILOVAČE PRO PIEZOSNÍMAČE Co udávají výrobci a jak se dopočítat hodnot které potřebujeme Co udávají výrobci a jak se dopočítat hodnot, které potřebujeme
• Běžně udávané údaje např.: • výstupní šumové napětí • výstupní šumový náboj • různé formy vstupní či výstupní ekvivalentní napěťové spektrální hustoty
• Nestačí zadat zesílení A a výstupní šum. • V závislosti na typu zesilovače (napěťový nebo nábojový) je nutné znát (při měření V á i l ti t il č ( ěť ý b áb j ý) j t é át ( ři ěř í použitý Cs, dále R, CI, EnV, EnI) • Podle předchozích vztahů je následně možné dopočítat všechny potřebné hodnoty. • Šumový náboj lze přepočítat na napětí:
U=Q*CI
NÍZKOŠUMOVÉ NAPĚŤOVÉ A NÁBOJOVÉ PŘEDZESILOVAČE PRO PIEZOSNÍMAČE Praktické závěry Praktické závěry • pro vyšší kmitočty je rozhodující napěťová šumová spektrální hustota • použití senzoru s co největší plochou a kapacitou umožňuje dosáhnout velké citlivosti a zároveň velkého zesílení s nábojovým zesilovačem • u nábojového předzesilovače závisí zesílení na kapacitě piezoměniče. To může být často výhodou, ovšem je nutné na toto pamatovat při výměně piezoměniče za jiný typ. Pro určení zesílení je pak nezbytné znát hodnotu integrační kapacity CI • nábojový zesilovač použít v případě dlouhého přívodního kabelu, kdy se kapacita kabelu blíží kapacitě snímače. • napěťový zesilovač naopak použít pouze s relativně krátkým kabelem • pro snímání velmi pomalých dějů je vhodnější použít napěťový zesilovač, jelikož s ním je možné teoreticky dosáhnout při stejném zesílení nižšího mezního kmitočtu ním je možné teoreticky dosáhnout při stejném zesílení nižšího mezního kmitočtu
NÍZKOŠUMOVÉ NAPĚŤOVÉ A NÁBOJOVÉ PŘEDZESILOVAČE PRO PIEZOSNÍMAČE
Děkuji za pozornost
