Menetelmiä signaali/kohina-suhteen parantamiseksi

Transkriptio

1 Mntlmiä signaali/kohina-suhtn parantamisksi Vahvistintn päidaalisuudt Anturin kohinasovitus vahvistimn Suodatus Chopprvahvistimt Lock-in vahvistin (Vaihhrkkävahvistin, PSD) Kskiarvoistus (Auto- ja ristikorrlaatio) Ptri Kärhä 07/0/005 Lunto 4: Mntlmiä SNR:n parantamisksi 1

2 Vahvistintn päidaalisuudt Kohinavirta, kohinajännit Offst jännit Sisääntulon diff. Jännit kun ulostulo on nolla. Bias virrat Sisäänmnoissa siintyvät virrat Linaarisuus CMRR = Common Mod Rjction Ratio Yhtismuotoisn signaalin vaimnnus Mittausvahvistimksi (1. vahvistinast) valittava hyvälaatuinn vahvistin, jossa nämä tkijät on optimoitu Ptri Kärhä 07/0/005 Lunto 4: Mntlmiä SNR:n parantamisksi

3 Anturin ja vahvistimn kohinasovitus Mitattavan ilmiön ja anturin välillä pyrittävä maksimoimaan siirtyvä tho Kytkntäpiirissä / vahvistimssa kohinasovitus, maksimoitava signaali-kohina suhd Ptri Kärhä 07/0/005 Lunto 4: Mntlmiä SNR:n parantamisksi 3

4 Anturin kohinamalli Anturin kohina-analyysin lähtökohta on sähköinn sijaiskytkntä Passiivist anturit: Passiivistn komponnttin sijaiskytkntä sim. lämpöanturi: Aktiivist anturit: Passiivistn komponnttin sijaiskytknnän lisäksi kohinalähtitä tuovat fysiikan ilmiöistä johtuvat muut kohinamkanismit. Ptri Kärhä 07/0/005 Lunto 4: Mntlmiä SNR:n parantamisksi 4

5 Opraatiovahvistimn kohinamalli OpAmp:n kohina voidaan kuvata ottopuoln jännit- ja virtakohinalähtillä n ja i n Ptri Kärhä 07/0/005 Lunto 4: Mntlmiä SNR:n parantamisksi 5

6 Opraatiovahvistimn kohinamalli Ptri Kärhä 07/0/005 Lunto 4: Mntlmiä SNR:n parantamisksi = ) ( ) ( ) ( 0 S i n S i ns n R Z R Z i R Z Z A S i i n ns 4kTRB = 1 ) ( + S Z i R Z i ( ) / n 0 S nin R i A n ns n + + = = Ulostulokohina:

7 Kohinasovitus Kohinaluku F = SNR SNR IN OUT = n + ns ns + i n R S Optimi d dr F = d dr n + 4kTR s 4kTR B + i s B n R S = 0 R = s i n n F MIN = 1+ n in ktb Ptri Kärhä 07/0/005 Lunto 4: Mntlmiä SNR:n parantamisksi 7

8 Kohinasovitus muuntajalla Vaihtosignaalia antavilla anturilla Kohinasovitus voidaan suortittaa sijoittamalla muuntaja anturiastn ja vahvistinastn väliin. Vahvistimn näkmä vastus muuttuu muuntajan muuntosuhtn funktiona Ptri Kärhä 07/0/005 Lunto 4: Mntlmiä SNR:n parantamisksi 8

9 Suodattimn vaikutus kohinaan Suodattimn thtävä on parantaa signaali-kohina suhdtta (kohinaluku pinmpi kuin 1) Suodatin on myös kohinan lähd Suodattimn kohinat minimoitava-> oika suodatinsuunnittlu Aktiivist suodattimt kohisvat usin nmmän kuin passiivist, jolloin rittäin kohinahrkissä sovllutuksissa käyttään passiivisia ratkaisuja Suodattimn astn kasvassa suodattimn oma kohina kasvaa mutta toisaalta läpi pääsvä kohina pinn Ptri Kärhä 07/0/005 Lunto 4: Mntlmiä SNR:n parantamisksi 9

10 Suodattimn vaikutus kohinaan F SNR SNR in = = out nin, ( ) ( ) nin, nin, U out nin, ( ) U nin, 1, 57 nin, π RC 4kTR 1,57 = + B B π RC 1, 57 4kTR 1, 57 + πrcb B πrc in ( B) 1, 57 1, kTR πrc πrc Esimrkkinä alipäästösuodatin Olttaan, ttä signaali kulk vääristymättä suodattimn läpi (U out =U in ) Kun sisään kytkytyvä kohina on luontltaan valkoista, saadaan suodatuksn vaikutus likimain kaistojn suhtna. Ptri Kärhä 07/0/005 Lunto 4: Mntlmiä SNR:n parantamisksi 10

11 Alipäästösuodattimn kohinaluku F 1E+00 1E-01 1E-0 1E-03 1E-04 Alipäästösuodattimn kohinaluku (C =1 uf, B =1 MHz) F (n=1 uv) F (n=10 uv) F (n=100 uv) F (n=1 mv) Kuvaan on Simuloitu alipäästösuodattimn kohinalukua R:n funktiona nljällä ri n arvolla. B=1 MHz, C=1 uf. 1E-05 1.E+00 1.E+01 1.E+0 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06 1.E+07 1.E+08 1.E+09 R [Ohm] Havaitaan, ttä suodatin parantaa SNR:ää. F pinn vastuksn kasvassa, koska kaista kapn. Tityn raja-arvon jälkn F i nää pinn, koska vastuksn lämpökohina alkaa vaikuttaa. Ptri Kärhä 07/0/005 Lunto 4: Mntlmiä SNR:n parantamisksi 11

12 Opraatiovahvistimn offst jännit Pintn jännittidn mittausvahvistimia rajoittaa rityissti offst-jännittt ja 1/f-kohina Offst-jännit U OS luokkaa 10 µv parhaimmillkin vahvistimill U OS on lämpötilariippuva ja muuttuu ajan funktiona Voidaan vähntää chopprvahvistimlla Ptri Kärhä 07/0/005 Lunto 4: Mntlmiä SNR:n parantamisksi 1

13 Choppr-vahvistin Kytkimin asnnossa Z (zro) kapasitanssit C ja C 3 varautuvat opraatiovahvistimn input- ja outputoffst-jännittisiin Kytkimin asnnossa S signaali kulk rittiä R 1, R, C, vahvistin, C 3, R 3, Choppaus-taajuus tyypillissti luokkaa sadoista hrtsistä kilohrtsihin R 1, ja C 1 muodostavat anti-alias suodatuksn (Tarvitaan!) C 4 mitoittaan pitämään ulostulo vakaana nollauksn aikana Ptri Kärhä 07/0/005 Lunto 4: Mntlmiä SNR:n parantamisksi 13

14 Choppr-vahvistin korkammill taajuuksill Pruskytkntä toimiiainoastaan matalilla taajuuksilla Virinn kytkntä toimii korkammill taajuuksill Nollaus-vahvistin A korjaa päävahvistimn A 1 offstin raaliajassa nollauspinnin avulla Nollausvahvistimn nollaus thdään kytkimn asnnolla Z Kapasitanssit C 1 ja C varastoivat nollausjännittt A 1 on jatkuvasti kytkttynä ulostuloon -> i taajuusrajoitusta laskostumissta Ptri Kärhä 07/0/005 Lunto 4: Mntlmiä SNR:n parantamisksi 14

15 1/f kohina bipolaarisssa ja chopprvahvistimssa Choppaus aihuttaa vahvistimn ulostuloon laajakaistaista kohinaa Suurilla kohinakaistanlvyksillä kohinaominaisuudt voivat olla jopa huonompia kuin ilman choppausta Kohinakaistanlvydn pinntäminn (intgrointiajan kasvattaminn) kääntää tilantn choppr-vahvistimn duksi Ptri Kärhä 07/0/005 Lunto 4: Mntlmiä SNR:n parantamisksi 15

16 Choppr-vahvistin Intgroitu opraatiovahvistin tarkkuusmittauksiin, sim. TC7650 (TlCom Smiconductor Inc.) AD8551/AD855/AD8554 (Analog Dvics Inc.) Erittäin pini offst-jännit Taso 1 µv Lämpötilariippuvuus µv/ C Käyttään normaalin opraatiovahvistintn tapaan, sim. Lämpötilasnsorissa Painsnsorissa Pintn virtojn tarkkuusmittauksissa Vnymäliuska-anturin vahvistimissa Ptri Kärhä 07/0/005 Lunto 4: Mntlmiä SNR:n parantamisksi 16

17 Lock-in vahvistin Mittaa AC-signaalia tityllä (säädttävällä) taajuudlla. Ulostulona on DC-jännit, joka on suhtssa AC-signaalin amplitudiin Tuntton muill taajuuskomponntill Vahvistin koostuu nljästä osasta Esivahvistin (diffrntiaali- ja/tai virtasisäänmno) Vaihsiirtäjä (rfrnssisignaalill) Skoittaja (dmodulator, mixr, phas-snsitiv dtctor, PSD) Alipäästösuodatin Ptri Kärhä 07/0/005 Lunto 4: Mntlmiä SNR:n parantamisksi 17

18 Pruskytkntä Alkupräinn signaali vahvisttaan ja suodattaan Signaali skoittaan rfrnssisignaaliin skoittajassa Alipäästösuodattimn jälkn saatava DC-jännit riippuu vain signaalin välisstä vaih-rosta ja mitattavan signaalin taajuuskomponntin amplitudista Vaihnsiirtimllä (phas-shiftr) maksimoidaan signaali Erittäin kapakaistainn, hyvälaatuinn kaistanpäästösuodatin Ptri Kärhä 07/0/005 Lunto 4: Mntlmiä SNR:n parantamisksi 18

19 Vaihhrkkä ilmaisu Signaalit samassa vaihssa 90 astn vaihsiirto Mikäli rfrnssisignaali ja mitattava signaali ovat samassa vaihssa, saadaan maksimaalinn signaali 90 astn vaihsiirrolla i saada lainkaan signaalia Signaali maksimoidaan manuaalissti vaihsiirrolla Vktori-lockin-vahvistimssa mitataan kahdlla kanavalla (vaihsiirto 90 asttta) ja ilmaistaan kanavin thollinn summa ja vaih-ro Ptri Kärhä 07/0/005 Lunto 4: Mntlmiä SNR:n parantamisksi 19

20 Analoginn lock-in vahvistin Ptri Kärhä 07/0/005 Lunto 4: Mntlmiä SNR:n parantamisksi 0

21 Sovlluksia Sisäisllä oskillaattorilla (rfrnssisignaali) käytttynä lock-in vahvistin toimii signaalianalysaattorina Ulkoisksi rfrnssiksi voidaan kytkäalkupräinn signaali (sim. lasrin modulointitaajuus) jonka kulkua vaimntavassa järjstlmässä halutaan tutkia (sim. spktroskopia). Alkupräisn signaalin jääntt voidaan kaivaa hyvinkin kohinaissta ympäristöstä Lukuisia käyttökohtita optisissa mittauksissa Ptri Kärhä 07/0/005 Lunto 4: Mntlmiä SNR:n parantamisksi 1

22 Esimrkki: Optisn transmittanssin mittaus Valolähtstä suodattaan kapa aallonpituuskaista monokromaattorin avulla Monokromaattorin valo tn vaimntavan ainn läpi Vaimntunut signaali ilmaistaan printisin kinoin Laittistolla voi mitata noin 0.001% transmittanssja, minkä jälkn signaali hukkuu kohinaan ja taustavaloon Ptri Kärhä 07/0/005 Lunto 4: Mntlmiä SNR:n parantamisksi

23 Transmittanssin mittaus lock-in vahvistimlla Katkotaan signaalia katkojalla (choppr) Katkojasta saadaan rfrnssisignaali lock-in vahvistimll hikon signaalin ilmaisua vartn. Transmittanssimittauksia voidaan laajntaa noin kolmlla dkadilla tasoll % Kuvan katkoja i muutn välttämättä ol optimaalisssa paikassa. Mihin s pitäisi laittaa? Ptri Kärhä 07/0/005 Lunto 4: Mntlmiä SNR:n parantamisksi 3

24 Kskiarvoistus DC-signaalin tai toistuvin AC-signaalin SNR:ää voi parantaa kskiarvoistamalla Kskiarvoistuksssa signaali summautuu aritmttissti, kohina summautuu nliöllissti m krtaa kskiarvoisttull signaalill SNR m S + S S 1 m = = N1 + N Nm m SNR i SNR paran siis suhtssa toistokrtojn nliöjuurn Ptri Kärhä 07/0/005 Lunto 4: Mntlmiä SNR:n parantamisksi 4