Hallo, ich hab da mal ein paar Fragen bezüglich der Rauschberechnung einer mems Mikrofon-Opamp Schaltung. Mir geht es eher um das Verständnis, als um eine konkrete Anwendung. Folgende Links habe ich bereits gelesen: https://www.mikrocontroller.net/attachment/256350/Rauschen_und_Bandbreite.pdf http://www.elektronikinfo.de/strom/op_rauschen.htm https://www.elektronik-kompendium.de/public/schaerer/noise1.htm http://www.analog.com/media/en/training-seminars/tutorials/MT-049.pdf und noch ein paar mehr. Mir ist aber immer noch nicht ganz klar mit welcher Bandbreite man rechnet. Ich möchte allgemein verstehen wie man die Bandbreite wählt und das damit einhergehende Rauschen berechnet. Mal angenommen ich habe ein analoges mems Mikrofon: SNR = 65dBA, Sensitivität = -35dB/Pa und Ausgangsimpedanz = 350 ohm sind bekannt (irgendwelche Werte). Das Signal soll um 20 verstärkt werden. Es geht mir nicht darum, dass man aus Erfahrung irgendwelche Werte "unter den Tisch fallen lassen" kann, sondern um eine möglichst "exakte" Berechnung. Denn erst wenn ich es verstanden habe, kann ich Vereinfachungen vornehmen. Aus SNR und Sensitivität kann ich mir nun die Rauschspannunsdichte berechnen. Diese multipliziert mit der Wurzel aus der Bandbreite gibt mir die Rauschspannung Vrms des Mikros. 1. Das Mikro hat typ. eine Bandbreite von 20kHz. Wenn ich jetzt aber nur reine Sinus-Signale bis 10kHz erfassen möchte, rechne ich dann mit 10kHz oder 20kHz Bandbreite für die Rauschspannung? 2. Mit welcher Bandbreite muss dann das Opamp Rauschen berechnet werden? Mal angenommen der Op hat eine UGBW von 1 MHz und eine Rauschspannungdichte von 10nV/Wurzel Hz und eine Rauschstromdichte von 1pA/Wurzel Hz. In vielen Appnotes wird als Bandbreite die closed loop Bandbreite herangezogen: bei einer Verstärkung von 20 hat der Op eine Bandbreite von 50kHz. Ich würde jetzt mit den 50kHz die äquivalente Eingangsrauschspannung berechnen. Von der Logik her müsste man doch eigentlich mit den 10kHz rechnen? Falls ja, wäre dann zumindest mal ein vorgeschalteter Tiefpassfilter notwendig mit fc = 12 kHz oder so? 3. Mal angenommen ich wähle eine Bandbreite von 10kHz. Wenn ich jetzt von 0-10kHz Signale erfassen möchte, ist dann ein Tiefpassfilter vorzusehen bzgl. der Rauschreduzierung? Und bei z.B. einem Signalbereich 40kHz-50kHz ein Bandpassfilter? 4. Wählt man sinnvollerweise einen Op, der bei der geforderten Verstärkung (hier z.B. 20) eine Eckfrequenz bei der oberen Frequenzbandgrenze hat (plus minus)? Angenommen ich habe einen Signalbereich von 40kHz-50kHz. Den Op wähle ich so, dass seine Eckfrequenz in der Nähe von 50kHz liegt. Davor schalte ich einen Tiefpass, dessen Eckfrequenz in der Nähe von 40kHz liegt; mal davon abgesehen, dass man einen aktiven Bandpassfilter auslegen könnte. Es geht mir nur ums Verständnis. Aber wäre das die richtige Herangehensweise? Falls ja, dann würde ich bezüglich Rauschen nur mit 10kHz Bandbreite rechnen? 5. Wähle ich hingegen einen Signalfrequenzbereich von 0-10kHz. Dann wäre nur ein Tiefpassfilter notwendig mit der Eckfrequenz 10kHz? Hier müsste man aber mit einem höheren Op-Rauschen rechnen, da man in den 1/f-Rauschbereich des Ops liegt. 6. Mikrofonrauschen und Mikrofon-Ausgangsimpedanz: Muss man für die Rauschberechnung beide Faktoren berücksichtigen? Ist das Spannungsrauschen, das aufgrund der OP-Rauschstromdichte an der Mikrofonimpedanz (350ohm) hervorgerufen wird, quadratisch zum Mikrofongrundrauschen (Berechnung über Mikrofon-SNR und Mikrofon-Sensitivität) aufzuaddieren? 7. Mal angenommen es liegt ein nichtinvertierender Verstärker mit dynamischer Gegenkopplung vor (Kondensator parallel zum Rückkopplungswiderstand). Kann ich für die Rauschberechnung den Rückkopplungswiderstand als kurzgeschlossen betrachten? Falls ja, dann würde dieser Widerstand keinen Beitrag liefern (Rauschstromdichte des Op und thermisches Eigenrauschen). Auch hier rein nur Verständnis. Vorab vielen Dank für Eure Hilfe.
Eine exakte Rauschberechnung macht man ideal erst einmal für jede Frequenz getrennt, um auch ein frequenzabhängiges Rauschen zu erfassen. Da kann man dann auch mehr aussagen als nur über das aufintegrierte Rauschen für einen Frequenzbereich. Den Frequenzbereich wählt man entsprechend der Anwendung: bei Audio irgendwas von 50 Hz -15 kHz oder ähnlich. ggf. Auch noch gewichtet wie die 65 dBA SNR beim Mikrofon - wobei die Angabe schon wieder schwammig ist, weil der Signalpegel fehlt. In jedem Fall gilt ein Frequenzbereich für die Rauschquellen - ggf. aber mit frequenzabhängiger Verstärkung. Für einen reinen Sinus geht die Bandbreite gegen Null - es kommt darauf an wie man das Signal ansieht, nicht so sehr das Signal selber. Mit einem guten True RMS DMM hat man eine große Bandbreite (ggf. bis MHz) - mit einem Lockin-verstärker ggf. nur mHz. Der OP begrenzt ggf. die Bandbreite des Verstärkers. Mit der vollen GBW muss man jedenfalls nicht rechnen. Wenn überhaupt der Bandbreite des Verstärkers als Ganzes - was auch ggf. vorhandene Kondensatoren einschließt. Ob eine Kondensator einen parallelen Widerstand kurzschließt hängt von der Frequenz ab - bei genügend hoher Frequenz ja, bei niedriger Frequenz nicht oder nur teilweise. Wie sich das Verhält kann man z.B. ganz gut in einer Simulation sehen. Die Rauschberechnung bei Spice ist schon recht gut - nur leider fehlt bei vielen OP Modellen das Rauschen des OPs und auch bei den andern HL sind die Modelle nicht immer gut. Es kann hilfreich sein einen Hochpassfilter zu haben um den Bereich mit 1/f rauschen zu unterdrücken. Gerade Mikrofone haben auch selber oft 1/f rauschen. Das Rauschen der Ausgangsimpedanz des Mikrofons sollte im Rauschen des Mikrofons enthalten sein - je nach Mikrofon ist da auch kein echter 350 Ohm Widerstand und das Rauschen könnte theoretisch ggf. sogar niedriger sein.
Danolov schrieb: > 1. Das Mikro hat typ. eine Bandbreite von 20kHz. Wenn ich jetzt aber nur > reine Sinus-Signale bis 10kHz erfassen möchte, rechne ich dann mit 10kHz > oder 20kHz Bandbreite für die Rauschspannung? du rechnest mit der Bandbreite, mit der das Signal weiterverarbeitet/verstärkt wird. Wenn du eine OPV-Schaltung mit 10kHz Bandbreite nachschaltest, dann mit 10kHz. Wenn du einen breitbandigen Verstärker nachschaltest, dann musst du schauen, ob das Rauschspektrum des Mikros wirklich bei 20kHz aufhört oder bis wohin es sich tatsächlich erstreckt. Das ist dann die relevante Bandbreite. Danolov schrieb: > Mit welcher Bandbreite muss dann das Opamp Rauschen berechnet werden? Mit der Bandbreite, mit der das OPV-Rauschen weiterverarbeitet/verstärkt wird. Überleg dir den noise-Gain deiner Schaltung und schau, wenn er nach unten verschwindet. Das ist die Obergrenze für die Bandbreite, mit der das OPV-Rauschen eingeht. Danolov schrieb: > 4. Wählt man sinnvollerweise einen Op, der bei der geforderten > Verstärkung (hier z.B. 20) eine Eckfrequenz bei der oberen > Frequenzbandgrenze hat (plus minus)? Wenn du eine Schaltung mit definierter Bandbreite willst, dann nimmst du einen schnelleren OPV uns schränkst die Bandbreite der Vestärkerschaltung durch die Außenbeschaltung ein (also passenden C in Rückkopplung). Danolov schrieb: > vorzusehen bzgl. der Rauschreduzierung? > Und bei z.B. einem Signalbereich 40kHz-50kHz ein Bandpassfilter? Ja, je geringer du die Bandbreite deiner Signalverstärker machst, desto geringer wird der spektrale Rauschanteil, der mitverstärkt wird. Danolov schrieb: > 6. Mikrofonrauschen und Mikrofon-Ausgangsimpedanz: Muss man für die > Rauschberechnung beide Faktoren berücksichtigen? du kannst nur dann einen Anteil vernachlässigen, wenn der andere so überwiegt, dass der kleinere keinen relevanten Unterschied mehr macht. Danolov schrieb: > das aufgrund der OP-Rauschstromdichte an der > Mikrofonimpedanz (350ohm) hervorgerufen wird, quadratisch zum > Mikrofongrundrauschen (Berechnung über Mikrofon-SNR und > Mikrofon-Sensitivität) aufzuaddieren? Alle deine unkorrelierten Rauschbeiträge werden quadratisch (d.h. als Effektivwerte) addiert. Danolov schrieb: > Kann ich für die Rauschberechnung den > Rückkopplungswiderstand als kurzgeschlossen betrachten? Wie Lurchi schon geschrieben hat. Oberhalb der RC-Grenzfrequenz ja, unterhalb der RC-Grenzfrequenz nein.
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