Rauschen des Instrumentenverstärkers verstärkt

Ich habe eine einfache Schaltung mit einem Instrumentenverstärker (PGA204AP) gebaut, um ein Differenzsignal von Rauschen zu befreien. Das Signal wird wenige Meter vom Erfassungspunkt entfernt erzeugt und das Kabel (abgeschirmte verdrillte Paare) durchläuft eine sehr laute Umgebung.

Die Schaltung ist folgende:Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Die Abschirmung des Kabels ist auf der Op.Amp-Seite geerdet und auf der anderen Seite nicht angeschlossen. Wie Sie sehen können, wird der Eingang des Operationsverstärkers durch einen Differentialmodusfilter (R1, R4 und C2) mit einer auf ~60 kHz eingestellten Grenzfrequenz und einen Gleichtaktfilter (R1-C1 und R4-C3) gefiltert die Grenzfrequenz auf ~1MHz eingestellt.

Am Ausgang des PGA204 habe ich einen Tiefpassfilter 2. Ordnung mit einer auf ~500kHz eingestellten Grenzfrequenz eingesetzt. Ich habe die Schaltung ohne Eingang getestet, nur um zu sehen, ob das Rauschen aus der Umgebung gedämpft worden wäre: Das in der Umgebung vorhandene Rauschen war das folgende (gemessen mit dem Oszilloskop direkt vom Kabel):

250ns/div250ns/div 5us/Div5us/div

Es gab also eindeutig ein sehr starkes Rauschen bei 2 MHz, aber sobald ich den Instrumentenverstärker anschloss, wurde das Rauschen verstärkt (mehr als verdoppelt). Also entschied ich mich, diesen Filter 2. Ordnung einzusetzen, nur um zu sehen, ob dieses 2-MHz-Rauschen eliminiert worden wäre. Aber das Ergebnis war das gleiche, und das erscheint mir sehr seltsam, weil zwei völlig unabhängige Geräte das gleiche Problem haben. Außerdem habe ich das Gerät mit etwas Rauschen getestet, das mit dem Signalgenerator am Eingang erzeugt wurde (Rauschen an einem Eingang angelegt, und der andere Eingang hatte es dank des Twisted-Pair-Kabels auch) und das Ergebnis war das folgende:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung einDie oberen sind die beiden Eingänge, der untere ist der Ausgang. Es scheint ziemlich gut zu sein.

  • Was ich mir bei diesem 10k-Widerstand (R5) zwischen V-Eingang und Masse nicht sicher bin. Mir wurde gesagt, ich solle es für den Vorstrom verwenden, aber stört es nicht die LP-Filter am Eingang?
  • Muss ich bei diesen Filtern noch etwas beachten? Vorschlag für die nächsten Tests, die ich durchführen sollte, um das Problem zu lösen?
R5 bringt es sicherlich aus dem Gleichgewicht. Versuchen Sie, es zu entfernen und oder fügen Sie ein weiteres auf der Oberseite hinzu, um es symmetrisch zu machen.
Versuchen Sie, Ihren Schirmabschluss nur für ein besseres rR vom Empfangsende zur Quelle zu ändern, und verwenden Sie eine CM-Ferritdrossel mit Pi-Kappen am Eingang zu IA diff gnd Sekunde.
Wie hoch ist die Quellenimpedanz (f) Ihres Signals? Die Leistung von IA wird von Ihrem Design beeinflusst und kann durch eine bessere Last verbessert werden, um Streurauschen zu dämpfen. Stellen Sie sich Ihr Problem als einen Mixer aus Signal und Rauschen vor. Sie MÜSSEN die Quellimpedanz jedes einzelnen kennen, um einen Rauschunterdrückungsfilter zu optimieren, anstatt dies am Ausgang zu tun, an dem beide gleich sind
Das Rauschen kann das Schaltnetzteil im Oszilloskop sein, das alle möglichen Wege zurück zur Erde erkundet.

Antworten (1)

LM358 hat ein sehr niedriges Verstärkungsbandbreitenprodukt (1 MHz), daher funktioniert die von Ihnen verwendete Sallen-Key-Filtertopologie möglicherweise nicht gut als Tiefpass über einigen zehn kHz. Was passiert, ist, dass die HF über C5 über den Operationsverstärker springt und bei HF nicht genügend Rückkopplung hat, um den Ausgangspin niederohmig zu halten, sodass die HF einfach zum Ausgang weitergeht. Wie Scott in den Kommentaren sagt, kann der langsame Operationsverstärker das HF-Rauschen begrenzen und das NF-Signal verzerren.

Ich empfehle, seine Übertragungsfunktion zu simulieren. Siehe Abb.8 in diesem Dokument .

Wenn Sie sich nun das PGA204-Datenblatt Seite 6 ansehen , liegt Ihr 2-MHz-Rauschen außerhalb der PGA204-Bandbreite, daher sollte es ein wenig gedämpft werden (oder stark, je nach Verstärkung, die Sie nicht erwähnen). Beachten Sie auch auf Seite 6, dass CMRR stark von der Frequenz- und Verstärkungseinstellung abhängt. CMRR bei hohen Frequenzen ist nicht sehr gut, sodass Sie einen passiven Filter am Eingang benötigen, um das HF-Gleichtaktrauschen zu beseitigen.

Wenn Ihr Rauschen Gleichtakt ist, müssen Sie bei der Umwandlung von Gleichtakt in Differenzialmodus (CM zu DM) am Eingang Ihres Verstärkers vorsichtig sein. Dies tritt auf, wenn die Eingangsimpedanz zwischen den beiden Hälften des Differentialpaars unsymmetrisch ist. Es kann auch überall im Signalpfad auftreten, wenn zwischen den beiden Hälften des Paares ein Impedanzungleichgewicht auftritt, beispielsweise im Sensor (auch als "Quellenimpedanz" bezeichnet), also müssen Sie dies überprüfen.

Der 10k-Widerstand wird eine Rolle spielen, aber die wahrscheinlichsten Schuldigen wären C1 und C3, wenn es sich um Teile mit niedriger Präzision wie X7R-Keramik handelt. Ein Unterschied in den Werten von C1 und C3 erzeugt ein Impedanzungleichgewicht bei HF zwischen den beiden Eingängen und wandelt CM-Rauschen in DM um, das der PGA204 dann verstärkt.

Also, ich schlage vor, dies zu versuchen:

  • Verwenden Sie eine Gleichtaktdrossel am Eingang, sie sollte genügend Induktivität haben, um die Impedanz bei der Rauschfrequenz und darüber deutlich zu erhöhen. Oder erhöhen Sie R1/R4 auf einen höheren Wert und verringern Sie den Kondensatorwert entsprechend.
  • Stellen Sie sicher, dass die Filterkappen genau (1%) wie C0G-Keramik sind.
  • R5 duplizieren, ein Widerstand pro Eingang.
  • Überprüfen Sie Ihren Schirmanschluss
  • Wenn ein erheblicher Strom in der Abschirmung fließt, stellen Sie sicher, dass er nicht durch einen empfindlichen Erdungsknoten auf Ihrer Leiterplatte fließt.
Toller Punkt über die Bandbreite des Sallen Key! Selbst wenn das Rauschen im BW des Operationsverstärkers wäre, könnte es groß genug sein, um Probleme mit der Anstiegsgeschwindigkeit zu verursachen, die bei niedrigeren Frequenzen als dem BW auftreten können. Abhängig von der Dynamik der interessierenden Frequenzen versucht das OP möglicherweise stattdessen einfach einen passiven RC-Filter.
Rauschen des Instrumentenverstärkers verstärkt
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