Czech Society for Nondestructive Testing NDE for Safety / DEFEKTOSKOPIE 2010 November 10 - 12, 2010 - Hotel Angelo, Pilsen - Czech Republic
LOW-NOISE VOLTAGE AND CHARGE PREAMPLIFIERS FOR PIEZOSENSORS NÍZKOŠUMOVÉ NAPċġOVÉ A NÁBOJOVÉ PěEDZESILOVAýE PRO PIEZOSNÍMAýE Josef BAJER, Karel HÁJEK University of Defence Brno, Dpt. of Electrical Engineering Contact e-mail:
[email protected] Abstract The sensitivity of some applications of the piezo-sensors can be limited by noise of preamplifiers in some cases with low external jamming (acoustic emission, ultrasonic measurements, nonlinear ultrasound spectroscopy etc.). A customary representation of noise properties of these preamplifiers hasn’t uniformity and lucidity. Therefore users have problems with comparison of available types. It has more reasons. First, there are used two types (voltage and charge preamplifiers), further the description of the noise of charge preamplifiers is non-uniform and the noise has a frequency dependence. This paper shows an analysis of this problem and suggestion of the uniform representation of the noise properties. Key words: low-noise preamplifier, noise, piezo-sensor, charge amplifier, comparing of noise Abstrakt NČkteré aplikace piezosnímaþĤ v pĜípadech s malým externím rušením (akustická emise, ultrazvuková mČĜení, nelineární ultrazvuková spektroskopie a pod.) mají citlivost limitovanou šumem pĜedzesilovaþĤ. Obvyklé vyjádĜení šumových vlastností tČchto pĜedzesilovaþĤ není jednotné a pĜehledné a bČžným uživatelĤm neumožĖuje porovnání jednotlivých typĤ. DĤvodem je jednak používání dvou rozdílných typĤ pĜedzesilovaþĤ, (napČĢový a nábojový), dále pak nejednotnost pro vyjadĜování šumu pro nábojové zesilovaþe a také kmitoþtová závislost tohoto šumu. PĜíspČvek ukazuje jak analýzu této problematiky, tak i návrh jednotného vyjádĜení šumových vlastností. Klíþová slova: nízkošumový pĜedzesilovaþ, šum, piezosenzor, nábojový zesilovaþ, porovnání šumu
1. Úvod V nČkterých aplikacích piezosenzorĤ (akustická emise, ultrazvuková mČĜení, nelineární ultrazvuková spektroskopie a pod.) se mĤže projevovat jen malé externí rušení, takže tyto aplikace mají citlivost limitovanou šumem pĜedzesilovaþĤ. Obvyklé vyjádĜení šumových vlastností tČchto pĜedzesilovaþĤ není jednotné a pĜehledné a bČžným uživatelĤm neumožĖuje porovnání jednotlivých typĤ. DĤvodem je jednak používání dvou rozdílných typĤ pĜedzesilovaþĤ, (napČĢový a nábojový), dále pak nejednotnost pro vyjadĜování šumu pro nábojové zesilovaþe a kmitoþtová závislost tohoto šumu. Výstupní šumové napČtí pĜedzesilovaþe závisí na mnoha parametrech (zesílení A, šíĜka pĜenášeného pásma B, šumové parametry pĜedzesilovaþe, hodnoty prvkĤ a pod). Proto si toto vyjádĜení šumu maximálnČ zjednodušíme. Nejjednodušší šumový model napČĢového pĜedzesilovaþe pĜipojeného k piezomČniþi je uveden na obr. 1.
DEFEKTOSKOPIE 2010
3
Zjednodušený model samotného piezomČniþe se skládá z ekvivalentního bezšumového zdroje signálu US, z ekvivalentního sériového odporu Rs a z ekvivalentní sériové kapacity Cs. Vstupní odpor pĜedzesilovaþe vyjadĜuje rezistor RIN a pĜedzesilovaþ je modelován ideálním bezšumovým zesilovaþem A, ekvivalentním zdrojem vstupního šumového napČtí UnV a ekvivalentním zdrojem šumového proudu In. Výchozí šumový model lze dále zjednodušit (obr. 1b), když piezomČniþ nahradíme ekvivalentním zdrojem tepelného šumu odporu RS a napČĢový efekt proudového zdroje šumu In vyjádĜíme napČĢovým zdrojem šumu Un IZ podle vztahu Un IZ = In Z , (1) kde Z je celková ekvivalentní impedance pĜipojení ke vstupu, vyjadĜující paralelní spojení RIN s CS, vliv sériového odporu RS mĤžeme zanedbat. Impedanci vyjadĜuje vztah 1 . (2) Z 1 / RIN jZC S TĜi sériovČ spojené napČĢové zdroje lze seþíst do jednoho ekvivalentního (obr. 1c) podle vztahu
U n6
2 U n2Rs U n2IZ U nV ,
(3)
takže výstupní šumové napČtí Unvýst je Unvýst = AUn6 . (4) Je zĜejmé, že namísto þasto používaného výstupního šumu Unvýst je výhodnČjší vyjadĜovat ekvivalentní vstupní šumové napČtí pĜedzesilovaþe Un6, protože to není závislé na nastaveném zesílení A a výstupní šumové napČtí snadno odvodíme pro jakékoliv zesílení A podle (4). piezomČniþ RS C S US
Un IZ
UnV
UnV
A RIN
In a)
A Unvýst
A Unvýst
Un Rs b)
Unvýst
Un c)
Obr. 1: a) Zjednodušený šumový model pĜedzesilovaþe pĜipojeného k piezomČniþi, b) šumové náhradní schéma s ekvivalentními šumovými zdroji napČtí (Un Rs- šum odporu zdroje, U n IZ – napČĢový efekt proudového zdroje šumu na impedanci pĜipojené ke vstupu zesilovaþe), c) šumové náhradní schéma s ekvivalentním šumovým zdrojem napČtí (Un6 ). Fig. 1: a) Simplified noise model of preamplifier for piezo-sensor, b) noise substitution diagram with equivalent noise voltage sources (Un Rs - noise of source resistance, U n IZ – voltage effect of noise current source for connected input impedance, c) noise substitution diagram with equivalent noise voltage source (Un6 ). Další parametr, který komplikuje vyjádĜení šumových vlastností pĜedzesilovaþe je použitá šíĜka pĜenosového pásma pĜedzesilovaþe a navíc se projevuje i závislost hodnoty šumových spektrálních složek na kmitoþtu. Proto šumové napČtí UnV (popĜ. proud In) vyjádĜíme pomocí napČĢové (proudové) šumové spektrální hustoty EnV, která odpovídá hodnotČ šumového napČtí, které projde na daném kmitoþtu filtrem o šíĜce pásma 1 Hz. Typická závislost napČĢové spektrální hustoty pro napČĢový šum UnV pĜedzesilovaþe je ukázána na obr. 2. Vidíme, že pro kmitoþtové pásmo cca nad 100 Hz se projevuje jen tepelný
4
DEFEKTOSKOPIE 2010
šum (EnVT) a má konstantní závislost. Celkové napČtí pro naznaþenou šíĜku pásma B2 lze jednoduše vyjádĜit vztahem
U nV
EnV B2 .
(5)
PĜechodem na šumovou spektrální hustotu EnV se jednoduše zbavíme závislosti na vlivu použité šíĜky pásma a mĤžeme tak pĜedzesilovaþ porovnávat pro rĤzné aplikace nezávisle na použité šíĜce pásma. Pokud se projeví kmitoþtová závislost 1/f pro nízké kmitoþty (v pásmu B1), lze její projev vypoþítat podle vztahu
U nV
EnV1Hz ln
fb , fa
(6)
kde EnV1Hz je spektrální hustota pro kmitoþet 1 Hz a jeho hodnotu vypoþteme podle vztahu EnV1Hz = EnVfL. Hodnota kmitoþtu fb mĤže být volena kdekoliv mezi fa a lomovým kmitoþtem fL. Podíl pĜíspČvkĤ pásem B1 a B2 na celkovém šumu záleží na kmitoþtu lomu (a tím i hodnotČ EnV1Hz) a šíĜce pásma B2. PĜi velké šíĜce pásma B2 a nízké hodnotČ kmitoþtu lomu mĤžeme vliv šumu 1/f zanedbat. Pokud tomu tak není, je potĜebné oba šumy sþítat. SamozĜejmČ, pokud po prĤchodu celým ĜetČzcem zpracováváme úzkopásmový signál, vyhodnocujeme šum pro odpovídající pásmo. EnV V/Hz
fa
fb B1
[log]
1/f šum
EnVT
cca 1nV/Hz
B2 1/f lom (cca 10 -100 Hz) bílý (tepelný) šum) fL
[log] f
Obr. 2 Typická závislost napČĢové spektrální hustoty pro ekvivalentní napČĢový šum pĜedzesilovaþe a naznaþení šíĜek pásma v oblasti bílého šumu a šumu 1/f. Fig. 2 Typical dependency of voltage spectral density for equivalent voltage noise of preamplifier and indication of bands in area of a white noise and 1/f noise. Je tedy zĜejmé, že pĜi zjednodušení, kdy neuvažujeme vliv šumu 1/f, mĤžeme vyjádĜit nezávislé šumové vlastnosti pĜedzesilovaþe dvČma þísly, a to napČĢovou a proudovou spektrální hustotou EnV a EnI v typických jednotkách [nV/Hz] a [pA/Hz], jinak musíme brát v úvahu i kmitoþet lomu šumu 1/f. Výslednou vstupní šumovou napČĢovou spektrální hustotu En dostaneme po vynásobení impedance Z zdroje signálu s proudovou spektrální hustotou In a po souþtu s napČĢovou spektrální hustotou EnV. Zde je typické, že pro malou impedanci zdroje signálu pĜevládá napČĢová, pro vekou impedanci (cca pro Z>10 k:) pĜevládá obvykle proudová spektrální hustota. Z této hodnoty a použité šíĜky pásma pak jednoduše podle vztahu (5) získáme ekvivalentní vstupní šumové napČtí a vynásobením hodnotou použitého zesílení (4) získáme efektivní hodnotu výstupního šumového napČtí. Tu lze pĜevést na hodnotu maximálního špiþkového napČtí (Unp-p) vynásobením konstantou cca 6 [1] . 2. Šum napČĢového a nábojového pĜedzesilovaþe pĜipojeného k piezosenzoru Pro napČĢový zesilovaþ byly vysloveny základní úvahy v úvodní þásti. NicménČ efekt kapacitní impedance zdroje signálu (piezosenzoru) je potĜebné rozebrat podrobnČji a porovnat
DEFEKTOSKOPIE 2010
5
tyto vlivy na oba typy pĜedzesilovaþĤ. Jejich podrobnČjší náhradní schéma pĜi realizaci s operaþními zesilovaþi (OZ) je uvedeno na obr. 3 i s odpovídajícími vztahy pro zesílení a dolní mezní kmitoþet fc. napČĢový zes. CS US
R1
nábojový zes.
R2
CI CS
US CK
a)
RI
CK
RIN
A = CS / CI
A = 1+R2 / R1 fc
1 2SRIN (C S CIN )
b)
fc
1 2SRICI
Obr. 3: PĜedzesilovaþe pro zdroje s kapacitním charakterem výstupní impedance a) základní model napČĢového zesilovaþe, b) základní model nábojového zesilovaþe se vztahy pro pĜenos A a dolní mezní kmitoþet fc. Fig. 3: Premplifiers for sources with capacitive source impedance a) basic model of voltage amplifier, b) basic model of charge amplifier with relations for gain A and low cut-off frequency fc. Jak je zĜejmé, obČ zapojení se chovají odlišnČ. Zisk napČĢového zesilovaþe je dán pomČrem nezávislých odporĤ a nezávisí na kapacitČ CS senzoru. Toto zapojení je ale více citlivé na parazitní kapacitu CK v pĜípadČ dlouhého pĜívodu k senzoru. Zesílení nábojového zesilovaþe je dáno pomČrem vnitĜní kapacity senzoru CS a zpČtnovazební integraþní kapacity CI. Je ménČ závislé na parazitní kapacitČ CK pĜívodního kabelu. Ovšem zpČtnovazební kapacita musí být A-krát nižší než vnitĜní kapacita zdroje, což mĤže být technologický problém pro hodnoty CS<30 pF. Podstatné, je, že oba zesilovaþe musí použít rezistor pro eliminaci svodového proudu. U napČĢového zesilovaþe je to RIN a u nábojového je to RI. Odpor tČchto svodových rezistorĤ musí být nižší než urþitá maximální hodnota aby nedošlo k stejnosmČrnému zasaturování zesilovaþe. Vzhledem k minimálním svodovému proudu CMOS vstupĤ OZ (cca 100pA) mĤže být tato hodnota cca 100M: až 1G:Tyto rezistory spolu s kapacitou senzoru CS resp. zpČtnovazební kapacitou CI vytváĜejí filtr horní propust, který omezuje pĜenos signálĤ s nízkými kmitoþty (obr. 4a). Vztahy pro tyto mezní kmitoþty fc jsou také uvedeny na obr. 3. Zde mĤžeme uvažovat dva pĜípady, a to: a) obČ zapojení mají shodný mezní kmitoþet fc. Pak musí být RI = A RIN. b) obČ zapojení použijí stejný maximální odpor. Pak napČĢový zesilovaþ bude mít mezní kmitoþet fc A-krát nižší než nábojový zesilovaþ. 2.1. Porovnání šumových vlastností pĜi shodném dolním mezním kmitoþtu fc. Pro porovnání šumových vlastností vyjdČme z pĜedpokladu shodného dolního mezního kmitoþtu fc (obr. 4 a) a podmínky
RI = A RIN.
(7)
Nyní diskutujme výstupní spektrální hustotu šumu zpĤsobenou napČĢovým šumem EnV operaþního zesilovaþe (viz obr. 4.b). U napČĢového zesilovaþe je to AEnV , u nábojového pak (A+1)EnV. Ten pak klesá pod mezním kmitoþtem fc, což nehraje praktickou roli. PodČlíme-li
6
DEFEKTOSKOPIE 2010
tyto hodnoty zesílením A, mĤžeme tedy uvažovat ekvivalentní vstupní napČĢovou spektrální hustotu pĜedzesilovaþe jako EnV resp. EnV(1+1/A) pro nábojový. Nyní diskutujme vliv proudového šumu OZ podle vztahu (1). Ekvivalentní vstupní napČĢovou šumovou spektrální hustotu tak mĤžeme pro napČĢový zesilovaþ vyjádĜit vztahem
EnIZ
2 EnI / 1 / RIN Z 2CS2 .
(8) EnVOUT
Ku [dB]
(A+1)EnV
AEnV A b)
EnV
nábojový zes.
f
fc
tepelný šum R EnR
nábojový zes. 1/f
nV / Hz
f
fc
proudový šum In
napČĢový zes.
nV / Hz
A
napČĢový zes. fc
fI-U
f
d)
fc
1/f napČĢový šum EnV
nábojový zes.
EnV c)
napČĢový zes.
A
a)
EnIZ
napČĢový šum EnV
nV / Hz
pĜenos
fR-U
f
Obr. 4: Vlastnosti napČĢového a nábojového zesilovaþe z obr. 2: a) základní pĜenos; napČĢová
spektrální hustota b) pro napČĢový šum c) pro proudový šum, d) pro tepelný šum. Fig. 4: Properties of voltage and charge preamplifiers from Fig. 2: a) basic gain; voltage spectral density for b) pro voltage noise c) for current noise, d) for thermal noise. Pro nábojový zesilovaþ za podmínky A>>1 je dominantní impedancí pĜipojenou ke vstupu OZ kapacita zdroje, takže
E nIZ
E nI / ZC S .
(9)
Ze vztahĤ (8) a (9) a obr. 4c plyne, že proudový šum vyvolává pro oba typy zesilovaþĤ prakticky stejnou závislost ekvivalentní vstupní napČĢové šumové spektrální hustoty (obr. 4.c), mající smČrnici 1/f (na rozdíl od blikavého šumu 1/f na obr. 2 zde zpĤsobené vlivem kmitoþtové závislosti impedance kapacity CS) a protínající konstantní závislost ekvivalentního vstupního napČĢového šumu OZ pro kmitoþet fI-U. Ten lze vyjádĜit za urþitých zjednodušení vztahem
f I U
E nI , E nV 2SC S
(10)
takže vidíme, že zde hraje dominantní roli kromČ hodnoty proudového a napČĢového šumu vnitĜní kapacita zdroje signálu a mĤžeme Ĝíci, že þím je vyšší, tím je vliv proudového šumu nižší.
DEFEKTOSKOPIE 2010
7
Posledním významným zdrojem šumu je tepelný šum odporĤ RIN resp. RI. Pro napČĢový zesilovaþ lze odvodit pro závislost ekvivalentní vstupní napČĢové šumové spektrální hustoty tento vztah
EnR
4kTRIN
, (11) 2 1 RIN C SZ a pro nábojový zesilovaþ 4kTRIN 4kTRI E nR . (12) 2 1 RI C I Z A1 RIN C SZ 2 Za výchozích podmínek je tedy nábojový zesilovaþ z hlediska tepelného šumu odporu lepší úmČrnČ odmocninČ ze zesílení A, jak je zĜejmé i z obr. 4d. StejnČ jako u proudového šumu je dominantní závislost šumu 1/f (zde na rozdíl od obr. 2 zpĤsobeno blokováním tepelného šumu kapacitou CS resp. CI se smČrnicí 20 dB/dec.) vytváĜející prĤseþík pro kmitoþet fR-U, který má ovšem vyšší hodnotu pro napČĢový zesilovaþ než pro nábojový zesilovaþ. Lze je vyjádĜit ve zjednodušených vztazích. Pro napČĢový zesilovaþ je to
^
`
1 4kT (13) 2SC S EnV RIN a pro bod zlomu nábojového zesilovaþe pak pĜibližnČ platí 1 4kT 1 4kT f RU (14) 2SC S EnV RI 2SC S EnV ARIN a je zĜejmé, že lomový kmitoþet fR-U a tepelný šum odporu je v pĜípadČ nábojového zesilovaþe A-krát nižší než u napČĢového.
f RU
Celková ekvivalentní napČĢová šumová spektrální hustota je dána souþtem všech zdrojĤ šumu podle vztahu
E n6
2 En2R En2IZ EnV ,
(15)
pĜiþemž je zĜejmé, že výsledná závislost se skládá ze dvou þástí, v nichž dominuje vždy jeden zdroj šumu a dČlícím kmitoþtem je fR-U nebo fI-U. Lze odvodit, že tepelný šum bude dominovat nad proudovým, pokud 4kT 4kT (16) RIN 2 resp. RI 2 . E nI E nI NapĜ. pro minimální hodnotu proudového šumu OZ s unipolárním vstupem EnI=1fAHz musí být svodový odpor RIN <16 G:(dostateþná rezerva), tudíž je lomový kmitoþet výsledné závislosti roven fR-U. Ovšem pro þastou hodnotu cca EnI =10fAHz již vychází RIN <160 M:, což již mĤže být pĜekroþeno, a tudíž se již mĤže podstatnČ uplatnit proudový šum s odpovídajícím bodem zlomu fI-U. 2.2. Porovnání šumových vlastností pĜi shodných svodových rezistorech PĜedchozí východisko shodnosti mezních kmitoþtĤ fc a z nČj vyplývající podmínka (7) je málo praktická, obvykle se volí shodný svodový odpor RIN a RI pro nábojový i napČĢový zesilovaþ, a to maximálnČ možná hodnota. DĤsledkem je pak pro stejné zesílení nižší hodnota dolního mezního kmitoþtu napČĢového zesilovaþe. PĜi porovnání šumových vlastností obou zapojení pĜi této podmínce (RI = RIN) se nemČní šumové pomČry pro napČĢový šum OZ, ale ani pro proudový, protože pro nČj dominuje vliv CS. Rozdílný vztah dostaneme pro tepelný šum odporu pro nábojový zesilovaþ
8
DEFEKTOSKOPIE 2010
EnR
4kTRI , A2 1 ZRI C S / A 2
^
`
(17)
kde po zjednodušení lze odvodit kmitoþet prĤseþíku s napČĢovým šumem 1 4kT 1 4kT f RU , (18) 2SC S EnV RI 2SC S EnV RIN což odpovídá vztahu pro napČĢový zesilovaþ. V tomto pĜípadČ se tedy tepelné šumy napČĢového a nábojového zesilovaþe prakticky neliší a shodné jsou tudíž i kmitoþty fR-U. 3. Jednotný pĜístup k hodnocení šumových parametrĤ nábojových a napČĢových pĜedzesilovaþĤ v praxi. Z výše uvedené teorie je zĜejmé, že šum napČĢových a nábojových pĜedzesilovaþĤ lze pĜi znalosti potĜebných parametrĤ dobĜe porovnat a zhodnotit, která z možných variant je pro danou aplikaci nejvýhodnČjší. Bohužel rĤzní výrobci udávají šumové parametry rĤzným zpĤsobem a ne vždy s dostaþujícími informacemi. BČžné jsou napĜ. tyto varianty: - výstupní šumové napČtí, - výstupní šumový náboj, - rĤzné formy vstupní þi výstupní ekvivalentní napČĢové spektrální hustoty. Pro urþení a porovnání šumových vlastností pĜedzesilovaþĤ je nejvýhodnČjší a jednoznaþná znalost hodnot napČĢové spektrální hustoty EnV, proudové spektrální hustoty EnI, kapacity uživatelem použitého zdroje signálu CS, svodového odporu RIN a zesílení A resp. hodnota RI a CI pro nábojový zesilovaþ (CI urþí zesílení pro použité CS). Hodnota konstantní spektrální hustoty pro f> fL (viz obr. 2) je tak evidentní z hodnoty EnV (viz odstavec za vztahem (7) a obr. 4.b). Z ostatních hodnot lze pak urþit kmitoþet lomu jako vyšší z hodnot fI-U (vztah (10)) a fR-U (vztah (18)). Pro použitý senzor je tím dána jednoznaþnČ kmitoþtová závislost šumové spektrální hustoty ve tvaru podle obr. 2. Výstupní šum pro zvolené pĜenosové pásmo a dané zesílení vyplývá ze vztahĤ (4)-(6). V pĜípadČ, že je výrobcem pĜedzesilovaþe zadán napĜ. výstupní šum a zesílení A, je nutno vyjma pĜípad, kdy se evidentnČ neprojevuje 1/f šum (kmitoþet lomu fL je menší než dolní mezní kmitoþet filtrem omezeného a dále propouštČného pĜenosového pásma), zadat i další parametry pro urþení kmitoþtu fL v závislosti na tom, zda jde o napČĢový þi nábojový zesilovaþ (pĜi mČĜení použitý CS, dále R, CI, EnI, EnV). Z tČchto hodnot pak postupnČ dojít podle postupu z pĜedchozího odstavce k úrovni výstupního šumu pro zvolené CS. V pĜípadČ zadané hodnoty šumového náboje (používáno u nábojového zesilovaþe) pĜi znalosti kapacity CI pĜejdeme hodnoty náboje na výstupní napČtí podle známého vztahu U=QC. Další postup je pak stejný jako v pĜedchozím odstavci. 4. Praktické závČry k použití a porovnání pĜedzesilovaþĤ pro piezosnímaþe Z rozboru vyplývají následující závČry: -
Použít senzor s co nejvČtší plochou a kapacitou pĜi zabezpeþení dostateþné šíĜky kmitoþtového pásma senzoru. Tím se zajistí maximální citlivost senzoru, nejmenší hodnota šumu1/f a také minimální citlivost na parazitní kapacity a možnost nejvČtšího zesílení nábojovým zesilovaþem.
DEFEKTOSKOPIE 2010
9
-
NapČĢový zesilovaþ použít pro aplikace s relativnČ krátkým kabelem mezi senzorem a pĜedzesilovaþem a v pĜípadČ, kdy potĜebujeme i co nejnižší dolní mezní kmitoþet snímaného signálu.
-
Nábojový zesilovaþ je výhodnČjší použít v pĜípadČ delšího pĜívodního kabelu, kdy se jeho kapacita blíží kapacitČ snímaþe.
-
Z hlediska porovnání šumových vlastností rĤzných pĜedzesilovaþĤ je dobré znát kmitoþtovou závislost vstupní spektrální napČĢové hustoty þi alespoĖ hodnotu ekvivalentní napČĢové šumové spektrální hustoty (EnV) a kmitoþtu lomu (fL). Ovšem toto srovnání je potĜebné provést pro stejnou kapacitu Cs, použitou pĜi mČĜení namísto senzoru a znát hodnotu zesílení (pro nábojový zesilovaþ tudíž hodnotu CI)
5. ZávČr PĜíspČvek ukazuje analýzu šumových vlastností pĜedzesilovaþĤ pĜipojených k piezosenzoru a problematiku jejich porovnání. Porovnává napČĢové i nábojové pĜedzesilovaþe a sjednocuje definici jejich šumových vlastností. Ukazuje, že skuteþné šumové vlastnosti jsou pro vyšší kmitoþtová pásma (nad kmitoþtem lomu fL) dána pĜevážnČ hodnotou ekvivalentní šumové napČĢové spektrální hustoty samotného pĜedzesilovaþe (nejnižší hodnoty cca 1-3 nVHz). NicménČ pro stĜední a nižší kmitoþty mĤže úroveĖ šumu podstatnČ záviset na kapacitČ CS použitého senzoru a pĜenášeném kmitoþtovém pásmu, tudíž pro posouzení šumových vlastností pĜedzesilovaþe obvykle nestaþí jen výrobcem udaná hodnota výstupního šumového napČtí [3] popĜ. v lepším pĜípadČ výstupní spektrální napČĢové hustoty [2], ale rozhodující je skuteþná hodnota lomového kmitoþtu fL pro použitý senzor. Dále z pĜedloženého rozboru vyplývají možnosti optimalizace z hlediska zlepšování citlivosti, a to pĜedevším z hlediska volby senzoru a jeho kapacity CS a také vlivu použitého pĜenosového kmitoþtového pásma, kdy jakékoliv širší pásmo než je potĜebné mĤže podstatným zpĤsobem zvýšit úroveĖ šumu. Tato práce byla realizována s podporou Grantové agentury ýR pod grantem þ. 102/09/H074. Literatura: [1] Texas Instruments - Op Amp Noise Theory and Applications. http://focus.ti.com/lit/ml/sloa082/sloa082.pdf [2] PCB Piezotronics - Industrial Charge Amplifier Model 421A11. http://www.pcb.com/contentstore/docs/PCB_Corporate/Electronics/products/Manuals/421 A11.pdf [3] Vallen -Acoustic Emission Preamplifiers. http://www.vallen.de/zdownload/pdf/pre603.pdf [4] HÁJEK, K. - ŠIKULA, J.- Tacano, M.- Hashiguchi, S.: Signal to Noise Ratio and Preamplifier Noise of AE Measuring Systems. Proc. of EWGAE’02, Praha, August 2002, p. 111-118. [5] ŠIKULA, Josef, ŠTRUNC, Marián, MAJZNER, JiĜí, HÁJEK, Karel. Electrical Noise and Sensitivity of Piezoceramic Sensors. NDT IN PROGRES - II, Praha, 2003, CD ROM ISBN 80-214-2475-3.
10
DEFEKTOSKOPIE 2010
