Menetelmiä signaali/kohina-suhteen parantamiseksi. Vahvistinten epäideaalisuudet

Transkriptio

1 Mtlmä sgaal/koha-suht paratamsks Vahvstt pädaalsuudt Atur kohasovtus vahvstm Suodatus Chopprvahvstmt Lock- vahvst (Vahhrkkävahvst, PSD) Kskarvostus (Auto- ja rstkorrlaato) Ptr Kärhä 0/0/009 Luto 4: Mtlmä SNR: paratamsks 1 Vahvstt pädaalsuudt Kohavrta, kohajät Offst jät Ssäätulo dff. Jät ku ulostulo o olla. Bas vrrat Ssäämossa styvät vrrat Laarsuus CMRR = Commo Mod Rjcto Rato Yhtsmuotos sgaal vamus Mttausvahvstmks (1. vahvstast) valttava hyvälaatu vahvst, jossa ämä tkjät o optmotu Ptr Kärhä 0/0/009 Luto 4: Mtlmä SNR: paratamsks

2 Atur ja vahvstm kohasovtus Mtattava lmö ja atur välllä pyrttävä maksmomaa srtyvä tho Kytktäprssä / vahvstmssa kohasovtus, maksmotava sgaal-koha suhd Ptr Kärhä 0/0/009 Luto 4: Mtlmä SNR: paratamsks 3 Atur kohamall Atur koha-aalyys lähtökohta o sähkö sjaskytktä Passvst aturt: Passvst kompott sjaskytktä sm. lämpöatur: Aktvst aturt: Passvst kompott sjaskytkä lsäks kohalähttä tuovat fyska lmöstä johtuvat muut kohamkasmt. Ptr Kärhä 0/0/009 Luto 4: Mtlmä SNR: paratamsks 4

3 Ptr Kärhä 0/0/009 Luto 4: Mtlmä SNR: paratamsks 5 Opraatovahvstm kohamall OpAmp: koha vodaa kuvata ottopuol jät- ja vrtakohalähtllä ja Ptr Kärhä 0/0/009 Luto 4: Mtlmä SNR: paratamsks 6 Opraatovahvstm kohamall = ) ( ) ( ) ( 0 S S s R Z R Z R Z Z A S s 4kTRB = 1 ) ( + S Z R Z ( ) / 0 S R A s + + = = Ulostulokoha:

4 Kohasovtus Kohaluku Optm F d dr SNR = SNR F = IN OUT d dr = + + 4kTR s + s 4kTR B R B + R s s S S = 0 R = s F MIN = 1+ ktb Ptr Kärhä 0/0/009 Luto 4: Mtlmä SNR: paratamsks 7 Kohasovtus muutajalla Vahtosgaala atavlla aturlla Kohasovtus vodaa suortttaa sjottamalla muutaja aturast ja vahvstast väl. Vahvstm äkmä vastus muuttuu muutaja muutosuht fuktoa Ptr Kärhä 0/0/009 Luto 4: Mtlmä SNR: paratamsks 8

5 Kohamall jätvahvstmll Huomotavat kohalähtt: Vahvstm ssäämossa äkyvä rsstass R EQ koha. R EQ muodostuu Atur ja slla muodostamasta vastukssta R s skä vahvstkytkä ssäämompdasssta R 1 R. OpAmp ssäämoo rdusodusta vrtakohaasta I N (muuttuu jättks vastuksssa R EQ ) OpAmp ssäämoo rdusodusta jätkohasta V N Yhtsvakutus saadaa summaamalla kohalähtt löllsst Vakutus ulostulossa saadaa krtomalla vahvstukslla (1+R 1 /R ) Ptr Kärhä 0/0/009 Luto 4: Mtlmä SNR: paratamsks 9 Vrtajätmuutm kohamall Kohalähtt: OpAmp vrtakoha, OpAmp jätkoha, takaskytktävastus, dtktor (tässä fotodod) rakkasvastus ta mpdass Kakk lähtt kaattaa rdusoda ssäämoo vrtoa! Jät ulostulossa saadaa krtomalla kohavrta pr vahvstukslla R f Ptr Kärhä 0/0/009 Luto 4: Mtlmä SNR: paratamsks 10

6 Vahvstm valta Atur mpdasstaso määrää mlla vahvst ataa parhaa sgaalkohasuht Saattaa rppua halutusta taajuusalusta (1/f koha ahuttaa s tt / pysy vakoa) Ptr Kärhä 0/0/009 Luto 4: Mtlmä SNR: paratamsks 11 Suodattm vakutus kohaa Suodattm thtävä o parataa sgaal-koha suhdtta (kohaluku pmp ku 1) Suodat o myös koha lähd Suodattm kohat mmotava-> oka suodatsuuttlu Aktvst suodattmt kohsvat us mmä ku passvst, jollo rttä kohahrkssä sovllutuksssa käyttää passvsa ratkasuja Suodattm ast kasvassa suodattm oma koha kasvaa mutta tosaalta läp pääsvä koha p Ptr Kärhä 0/0/009 Luto 4: Mtlmä SNR: paratamsks 1

7 Suodattm vakutus kohaa U SNR, ( B ) F = = SNR U out out 1, 57 1, 57, + 4kTR πrc πrc 1, 57, π RC 4kTR 1,57 = + B B π RC ( ) ( ),, πrcb, ( B) πrc Esmrkkä alpäästösuodat Olttaa, ttä sgaal kulk väärstymättä suodattm läp (U out =U ) Ku ssää kytkytyvä koha o luotltaa valkosta, saadaa suodatuks vakutus lkma kastoj suhta. 1, 57 4kTR 1, 57 + Ptr Kärhä 0/0/009 Luto 4: Mtlmä SNR: paratamsks 13 Alpäästösuodattm kohaluku F 1E+00 1E-01 1E-0 1E-03 1E-04 Alpäästösuodattm kohaluku (C =1 uf, B =1 MHz) F (=1 uv) F (=10 uv) F (=100 uv) F (=1 mv) 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] Kuvaa o Smulotu alpäästösuodattm kohalukua R: fuktoa ljällä r arvolla. B=1 MHz, C=1 uf. Havataa, ttä suodat parataa SNR:ää. F p vastuks kasvassa, koska kasta kap. Tty raja-arvo jälk F ää p, koska vastuks lämpökoha alkaa vakuttaa. Ptr Kärhä 0/0/009 Luto 4: Mtlmä SNR: paratamsks 14

8 Opraatovahvstm offst jät Pt jättd mttausvahvstma rajottaa rtysst offst-jättt ja 1/f-koha Offst-jät U OS luokkaa 10 µv parhammllk vahvstmll U OS o lämpötlarppuva ja muuttuu aja fuktoa Vodaa vähtää chopprvahvstmlla Ptr Kärhä 0/0/009 Luto 4: Mtlmä SNR: paratamsks 15 Choppr-vahvst Kytkm asossa Z (zro) kapastasst C ja C 3 varautuvat opraatovahvstm put- ja outputoffst-jätts Kytkm asossa S sgaal kulk rttä R 1, R, C, vahvst, C 3, R 3, Choppaus-taajuus tyypllsst luokkaa sadosta hrtsstä klohrtsh R 1, ja C 1 muodostavat at-alas suodatuks (Tarvtaa!) C 4 mtottaa ptämää ulostulo vakaaa ollauks akaa Ptr Kärhä 0/0/009 Luto 4: Mtlmä SNR: paratamsks 16

9 Choppr-vahvst korkammll taajuuksll Pruskytktä tomaoastaa matallla taajuukslla Vr kytktä tom korkammll taajuuksll Nollaus-vahvst A korjaa päävahvstm A 1 offst raalajassa ollausp avulla Nollausvahvstm ollaus thdää kytkm asolla Z Kapastasst C 1 ja C varastovat ollausjättt A 1 o jatkuvast kytkttyä ulostuloo -> taajuusrajotusta laskostumssta Ptr Kärhä 0/0/009 Luto 4: Mtlmä SNR: paratamsks 17 1/f koha bpolaarsssa ja chopprvahvstmssa Choppaus ahuttaa vahvstm ulostuloo laajakastasta kohaa Suurlla kohakastalvyksllä kohaomasuudt vovat olla jopa huoompa ku lma choppausta Kohakastalvyd ptäm (tgrotaja kasvattam) käätää tlat choppr-vahvstm duks Ptr Kärhä 0/0/009 Luto 4: Mtlmä SNR: paratamsks 18

10 Choppr-vahvst Itgrotu opraatovahvst tarkkuusmttauks, sm. TC7650 (TlCom Smcoductor Ic.) AD8551/AD855/AD8554 (Aalog Dvcs Ic.) Erttä p offst-jät Taso 1 µv Lämpötlarppuvuus µv/ C Käyttää ormaal opraatovahvstt tapaa, sm. Lämpötlassorssa Passorssa Pt vrtoj tarkkuusmttauksssa Vymäluska-atur vahvstmssa Ptr Kärhä 0/0/009 Luto 4: Mtlmä SNR: paratamsks 19 Lock- vahvst Mttaa AC-sgaala ttyllä (säädttävällä) taajuudlla. Ulostuloa o DC-jät, joka o suhtssa AC-sgaal ampltud Tutto mull taajuuskompotll Vahvst koostuu ljästä osasta Esvahvst (dffrtaal- ja/ta vrtassäämo) Vahsrtäjä (rfrsssgaalll) Skottaja (dmodulator, mxr, phas-sstv dtctor, PSD) Alpäästösuodat Ptr Kärhä 0/0/009 Luto 4: Mtlmä SNR: paratamsks 0

11 Pruskytktä Alkuprä sgaal vahvsttaa ja suodattaa Sgaal skottaa rfrsssgaal skottajassa Alpäästösuodattm jälk saatava DC-jät rppuu va sgaal välsstä vah-rosta ja mtattava sgaal taajuuskompot ampltudsta Vahsrtmllä (phas-shftr) maksmodaa sgaal Erttä kapakasta, hyvälaatu kastapäästösuodat Ptr Kärhä 0/0/009 Luto 4: Mtlmä SNR: paratamsks 1 Vahhrkkä lmasu Sgaalt samassa vahssa Mkäl rfrsssgaal ja mtattava sgaal ovat samassa vahssa, saadaa maksmaal sgaal 90 ast vahsrrolla saada lakaa sgaala 90 ast vahsrto Sgaal maksmodaa mauaalsst vahsrrolla Vktor-lock-vahvstmssa mtataa kahdlla kaavalla (vahsrto 90 asttta) ja lmastaa kaav tholl summa ja vah-ro Ptr Kärhä 0/0/009 Luto 4: Mtlmä SNR: paratamsks

12 Aalog lock- vahvst Ptr Kärhä 0/0/009 Luto 4: Mtlmä SNR: paratamsks 3 Sovlluksa Ssäsllä oskllaattorlla (rfrsssgaal) käytttyä lock- vahvst tom sgaalaalysaattora Ulkosks rfrssks vodaa kytkäalkuprä sgaal (sm. lasr modulottaajuus) joka kulkua vamtavassa järjstlmässä halutaa tutka (sm. spktroskopa). Alkupräs sgaal jäätt vodaa kavaa hyvk kohassta ympärstöstä Lukusa käyttökohtta optsssa mttauksssa Ptr Kärhä 0/0/009 Luto 4: Mtlmä SNR: paratamsks 4

13 Esmrkk: Opts trasmttass mttaus Valolähtstä suodattaa kapa aalloptuuskasta mookromaattor avulla Mookromaattor valo t vamtava a läp Vamtuut sgaal lmastaa prts ko Lattstolla vo mtata o 0.001% trasmttassja, mkä jälk sgaal hukkuu kohaa ja taustavaloo Ptr Kärhä 0/0/009 Luto 4: Mtlmä SNR: paratamsks 5 Trasmttass mttaus lock- vahvstmlla Katkotaa sgaala katkojalla (choppr) Katkojasta saadaa rfrsssgaal lock- vahvstmll hko sgaal lmasua vart. Trasmttassmttauksa vodaa laajtaa o kolmlla dkadlla tasoll % Kuva katkoja muut välttämättä ol optmaalsssa pakassa. Mh s ptäs lattaa? Ptr Kärhä 0/0/009 Luto 4: Mtlmä SNR: paratamsks 6

14 Kskarvostus DC-sgaal ta tostuv AC-sgaal SNR:ää vo parataa kskarvostamalla Kskarvostuksssa sgaal summautuu artmttsst, koha summautuu löllsst m krtaa kskarvosttull sgaalll SNR m S + S S 1 m = = N1 + N Nm m SNR SNR para ss suhtssa tostokrtoj löjuur Ptr Kärhä 0/0/009 Luto 4: Mtlmä SNR: paratamsks 7