Verstärkerschaltung für Schwingquarz

[Alexander E. (Gast)]

Hallo zusammen,

in meinem neusten Projekt wird ein Stimmgabelquarz durch Schallwellen 
von außen angeregt. Diese will ich nun per OPV verstärken.

Nach meinen Berechnungen ( Schall-Druck-> mechanische Spannung -> 
elektrische Spannung) sollten die Schallwellen piezoelektrische Signale 
von ca. 10 nV erzeugen - mit Resonanzerhöhung (Q = 10000) könnten es 
sogar 0.1 mV werden.

Nun die Frage: Brauche ich einen Transimpedanzwandler oder einen 
normalen Verstärker? Schließlich hat der Quarz ja einen Innenwiderstand 
(30 kOhm bei Resonanz), sodass die Spannung intern abfließen könnte.

Zusätzlich muss das Ganze super rauscharm sein, da ich Schall weit unter 
der Hörschwelle detektieren möchte.

Vielleicht kann hier jemand mein Problem verstehen.

Beste Grüße

Alexander

[Mark S. (voltwide)]

Ein Transimpedanzverstärker stellt einen eingangsseitigen Kurzschluss 
dar, und würde damit Deinen Piezo bedämpfen. Würde ich also nicht 
empfehlen.
Für 30kOhm Impedanz wären imho Operationsverstärker mit FET-Eingang 
optimal, z.B. OPA134 von TI.

[Alexander E. (Gast)]

Besten Dank für die Antwort.

An die Bedämpfung habe ich noch nicht gedacht. Ich werde mir den 
empfohlenen OPV einmal ansehen.

Ich frage mich halt generell, ob man einen schwingenden Quarz als 
Spannungs- oder Stromquelle ansehen sollte. Dies beeinflusst ja die Wahl 
meiner Schaltung.

Im Anhang habe ich einmal meine bisherige Beschaltung skizziert. Ich 
sollte also einen weiteren Widerstand vor den inv.Eingang setzen?

[Alexander E. (Gast)]

Der OPV ist übrigens der LT 1037, da rauscharm und nicht so teuer wie LT 
1028.

[Hp M. (nachtmix)]

Alexander E. schrieb:
> ob man einen schwingenden Quarz als
> Spannungs- oder Stromquelle ansehen sollte.

Als Serienschwingkreis mit einer Induktivität im kH-Bereich und einer 
Kapazität im fF-Bereich. Den ESR hast du ja schon mit 30kOhm bestimmt.
Parallel zu diesem Serienschwingkreis liegt die Kapazität der Anschlüsse 
und der Schaltung, wenige pF.

[Christian L. (cyan)]

Alexander E. schrieb:
> Schließlich hat der Quarz ja einen Innenwiderstand
> (30 kOhm bei Resonanz), sodass die Spannung intern abfließen könnte.
>
> Zusätzlich muss das Ganze super rauscharm sein, da ich Schall weit unter
> der Hörschwelle detektieren möchte.

Alexander E. schrieb:
> Der OPV ist übrigens der LT 1037, da rauscharm und nicht so teuer wie LT
> 1028.

Wieso sollte ein LT1028 bei einer Quellimpedanz rauscharm sein? Er wird 
eher sehr stark rauschen. Nur weil im DB drin steht, dass ein OPV 
rauscharm ist, heißt das noch lange nicht, dass er es auch bei allen 
Quellimpedanzen ist. Du musst das passende Verhältnis von Strom- und 
Spannungsrauschen für deine Quellimpedanz finden.
Ein guter Ausgangspunkt sind z.B. folgende Übersichten:
http://cds.linear.com/docs/en/design-note/dn140f.pdf
http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/AN-940.pdf

[Alexander E. (Gast)]

Erst einmal vielen Dank für die Antworten.

@Hp M.

Dies ist mir bewusst und ich habe aus dem Datenblatt auch alle Parameter 
des Ersatzschaltbildes.

@Christian L.

Vielen Dank für die Artikel! Ich werde dort den passenden OPV suchen.

Jedoch klärt dies noch nicht die Frage, ob ich nun einen 
Transimpedanzwandler oder einen Spannungsverstärker brauche. Schließlich 
ließe sich sowohl sagen, dass an den Elektroden eine Spannung anliegt, 
als auch, dass durch die Schwingung ein Wechselstrom erzeugt wird.

[Peter R. (pnu)]

Meine Meinung:

Der Quarz stellt einen extrem schmalbandigen Schwingkreis bzw. Bandpass 
dar. Insoweit dürfte der Signal-Rauschabstand sensationell sein.

Für die optimale Übergabe des Signals wäre eine Leistungsanpassung des 
Verstärkereingangs an den Quellwiderstand der Signalquelle das Beste. 
Dann würde aber die Güte des Schwingkreises nur halb so hoch. Also 
sollte man zwischen Leistungs- und Spannungsanpassung bleiben, da ja in 
den folgenden Stufen eine Spannungsverstärkung üblich ist.

Hier ist der Quellwiderstand der bei Serienresonanz bestehende 
Wirkwiderstand, der hier mit 30kOhm schon angegeben ist.

Da wäre ein J-FET als Eingangsstufe richtig. MOS-FETs leiden bei 
niedrigen Frequenzen unter Schrot-oder Funkelrauschen dürften also 
schlechter sein.
Bipolare Transistoren haben bei vernünftigem Arbeitspunkt wohl zu 
niedrigen Eingangswiderstand.

Das schmalbandige Nutzsignal müsste aber, zumindest in der Eingangsstufe 
auch durch einen schmalbandigen Verstärker verstärkt werden, sonst 
überrauscht die Eingangsstufe schon das Signal. Erst wenn man dann aus 
den nV oder µV heraus ist, kann man breitbandiger werden.