Ich habe einen sehr guten Operationsverstärker ( AD8551 ), mit dem ich ein sehr kleines Signal dynamisch verstärken kann (2x, 10x, 100x, 1000x Verstärkung).
Das Problem ist, dass es bei 100-facher und 1000-facher Verstärkung einen merklichen Geräuschpegel gibt und eine seltsame konstante Form hat.
Wenn ich die Schaltung mit einer schlecht stabilisierten Stromversorgung versorge und den Eingang des Verstärkers an GND anschließe, erhalte ich einen hohen Rauschpegel bei 1000x, wie im Bild unten gezeigt.
Wenn ich die Schaltung mit einer besser stabilisierten Stromversorgung versorge, ist das Rauschen immer noch 1000x mit derselben Wellenform, aber geringerer Amplitude vorhanden. Und egal welches Netzteil ich benutze, das seltsam geformte Rauschen verschwindet nicht.
Da mein AD8551 ein PSSR von 130 dB hat, dachte ich, dass TL431, das zum Vorspannen des Eingangs verwendet wird, möglicherweise fehlerhaft ist. Also habe ich das schlecht stabilisierte Netzteil für den Operationsverstärker belassen und das bessere für den TL431 verwendet, aber der Ausgang ist der gleiche. Das Stabilisieren der Spannung am Widerstand in der Kathode von TL431 ändert nichts.
Das Bild unten ist eine Ausgabe, die von einem Mikrocontroller mit seinem internen ADC abgetastet wurde. Wie Sie bei 1000x sehen können, schwingt der Ausgang fast über den gesamten Bereich. Der Grund, warum in diesem Test 100x fehlt, ist, dass ich den 1MΩ R21 durch einen 100KΩ-Widerstand und den 1KΩ R66 durch einen 100Ω-Widerstand ersetzt habe, was zu einer 1,1X-, 2X10X- und 1000X-Verstärkung führte. Ich habe dies getan, weil ich befürchtet hatte, dass der Rückkopplungswiderstand R21 zu groß sein könnte, um den negativen Eingang des Operationsverstärkers vorzuspannen, obwohl der Eingangsvorspannungsstrom des AD8551 maximal 2 nA beträgt. Die Änderung verringerte die Amplitude des Rauschens geringfügig.
Muss der Vcc absolut leise sein, obwohl der PSRR des Operationsverstärkers 130 dB beträgt? Ist es die Eingangsvorspannung, die diese Probleme verursacht?
Ich kann es nicht herausfinden, zumal ich keinen Zugang zu einem Oszilloskop habe. Ich habe nur die Messwerte vom Mikrocontroller, die auf einer SD-Karte gespeichert sind.
Antworten:
Fügen Sie allen ICs so nahe wie möglich an den Stromanschlüssen Entkopplungskappen für das Netzteil hinzu. Ein guter Wert ist normalerweise 100 nF, aber Sie können das Datenblatt auf die verschiedenen von Ihnen verwendeten Chips überprüfen. Geld sparen durch Weglassen der Entkopplungskappen ist eine schlechte Designentscheidung. Kappen sind billig und die Zeit für die Fehlerbehebung / Neugestaltung ist teuer.
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Sieht aus wie Netzbrummen. (Ich gehe davon aus, dass die Anmerkungen in der Grafik zeigen, dass Sie die Eingangsverstärkung während der Erfassung ändern, sodass die Sinuswelle nicht kontinuierlich ist.)
Jetzt wissen wir nicht:
Wenn Sie beispielsweise in einem 50-Hz-Netzland mit 50 Hz abtasten und eine Frequenz von weniger als 0,5 Hz sehen, besteht die Möglichkeit, dass Sie das Netzbrummen auf die beobachtete Frequenz reduzieren.
Und angesichts der Opamp-Eingänge mit hoher Eingangsimpedanz sehen sie eher wie ein Ziel für die elektrostatische Kopplung als wie ein Magnet aus.
Nun zu welchem Eingang?
Wenn Sie den Sensor entfernen und den Eingang gegen Masse kurzschließen, verschwindet das Rauschen? Dann muss der Sensoranschluss genauer überprüft werden. Oder Sie benötigen einen Pufferverstärker am Sensor, um die Ausgangsimpedanz des Sensors zu verringern.
Wenn das Rauschen bestehen bleibt: Reduzieren Sie R21 auf 100k und R66 auf 100 Ohm. Hat das den Lärm zehnfach gedämpft? Wenn ja, ist es der negative Eingang, der aufnimmt. Wahrscheinlicher ist, dass beide Eingänge Rauschen aufnehmen, da beide ziemlich hochohmige Punkte sind.
Sie können die elektrostatische Aufnahme durch Screening reduzieren: Experimentieren Sie den Verstärker experimentell mit Alufolie (und erden Sie die Alufolie mit der Masse des Verstärkers).
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Obwohl ich anhand Ihrer Pläne nicht sagen kann, was los ist, würde ich Folgendes vorschlagen.
Jedes Mal, wenn Sie eine Verstärkerschaltung wie Ihre bauen, ist es äußerst ratsam, eine hochfrequente Rückkopplung bereitzustellen. Setzen Sie dazu eine kleine Kappe über R21. Typischerweise reichen 10 pF aus. Dies erzeugt eine Tiefpassantwort bei Omega = 1 / (R21 * C), aber das ist normalerweise kein Problem.
Sie benötigen diese Kappe, um der parasitären Kapazität am nicht invertierenden Anschluss entgegenzuwirken.
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