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Ovid(R)

12.05.2023,
20:09
(editiert von Ovid
am 12.05.2023 um 20:14)
 

Verstärkerschaltung für MEMS Mikrofon (Elektronik)

» Hallo liebes Forum!

Ich habe in einem Projekt die Aufgabe, eine Verstärkerschaltung zu bauen für ein analoges MEMS Mikrofon.

Soweit so gut, funktioniert auch mit dem AD797 (Analog Devices) als Differenzverstärker und dem TL082 (TI) als Impedanzwandler am Ausgang, Signal sieht schön aus.

Nun habe ich, um die Gleichspannung (Offset) zu blockieren, zwei Koppelkondensatoren am Eingang gehabt.

Die funktionieren auch, nur gibt es da ein Problem, mein Audiosignal wird natürlich frequenzweise gedämpft weil Hochpass und so weiter.

Nun sollen die aus der Schaltung raus und eine Alternative muss her.

Ich habe mit LTSpice einiges ausprobiert und habe eine Lösung gefunden, die ich aber noch nicht aufgebaut habe. Ein Bekannter meinte wohl, es wird nicht so funktionieren bzw. er weiß nicht was passieren wird und ich solle sie einfach mal aufbauen.

Im Grunde geht es darum, einen 1,01 V Offset am Eingang (und dementsprechend verstärkt am Ausgang) wegzubügeln. Ist anscheinend ein kompliziertes Thema, das bei einem Differenzverstärker zu tun. Ich habe die Schaltung abgeguckt, die eigentlich zu einem invertierenden Verstärker gehört... (https://www.hs-koblenz.de/fileadmin/media/profiles/ingenieurwesen_elektrotechnik_und_informationstechnik/ross/ELE/Material/ELE1-handout.pdf) aber da ein OPV ja eigentlich immer die Differenz am Eingang verstärkt und man auch sagen kann, dass ja auch 0 V ein Potenzial ist, kann dass doch auch bei einem Differenzverstärker funktionieren.

1. In LTSpice siehts aber gut aus, funktioniert also, aber ich wollte das ganze einfach mal posten und fragen, was ihr davon haltet?

2. Und gibt es Alternativen, die man "einfach" umsetzen kann?

Im Prinzip möchte ich nur eine entgegengesetzte Gleichspannung zu dem Offset am Eingang einsetzen, ohne Unsymmetrien und Dämpfung im Nutzsignal hervorzurufen, dass muss doch einfach zu realisieren sein...

Anbei habe ich die Schaltung und ein einen Graph mit der Eingangsspannung Vin+ und der Ausgangsspannung Vout2 hinzugefügt.

schöne Grüße und ein schönes Wochenende

Ovid

https://www.elektronik-kompendium.de/forum/upload/20230512200803.pdf



https://www.elektronik-kompendium.de/forum/upload/20230512200822.pdf

xy(R)

E-Mail

12.05.2023,
20:51

@ Ovid

Verstärkerschaltung für MEMS Mikrofon

» 1. In LTSpice siehts aber gut aus, funktioniert also, aber ich wollte das
» ganze einfach mal posten und fragen, was ihr davon haltet?

Dann poste doch die Simulationsdateien.

NoName

12.05.2023,
20:56

@ Ovid

Verstärkerschaltung für MEMS Mikrofon

» » Hallo liebes Forum!
»
» Ich habe in einem Projekt die Aufgabe, eine Verstärkerschaltung zu bauen
» für ein analoges MEMS Mikrofon.
»
» Soweit so gut, funktioniert auch mit dem AD797 (Analog Devices) als
» Differenzverstärker und dem TL082 (TI) als Impedanzwandler am Ausgang,
» Signal sieht schön aus.
»
» Nun habe ich, um die Gleichspannung (Offset) zu blockieren, zwei
» Koppelkondensatoren am Eingang gehabt.
»
» Die funktionieren auch, nur gibt es da ein Problem, mein Audiosignal wird
» natürlich frequenzweise gedämpft weil Hochpass und so weiter.
»
» Nun sollen die aus der Schaltung raus und eine Alternative muss her.
»
» Ich habe mit LTSpice einiges ausprobiert und habe eine Lösung gefunden, die
» ich aber noch nicht aufgebaut habe. Ein Bekannter meinte wohl, es wird
» nicht so funktionieren bzw. er weiß nicht was passieren wird und ich solle
» sie einfach mal aufbauen.
»
» Im Grunde geht es darum, einen 1,01 V Offset am Eingang (und
» dementsprechend verstärkt am Ausgang) wegzubügeln. Ist anscheinend ein
» kompliziertes Thema, das bei einem Differenzverstärker zu tun. Ich habe die
» Schaltung abgeguckt, die eigentlich zu einem invertierenden Verstärker
» gehört...
» (https://www.hs-koblenz.de/fileadmin/media/profiles/ingenieurwesen_elektrotechnik_und_informationstechnik/ross/ELE/Material/ELE1-handout.pdf)
» aber da ein OPV ja eigentlich immer die Differenz am Eingang verstärkt und
» man auch sagen kann, dass ja auch 0 V ein Potenzial ist, kann dass doch
» auch bei einem Differenzverstärker funktionieren.
»
» 1. In LTSpice siehts aber gut aus, funktioniert also, aber ich wollte das
» ganze einfach mal posten und fragen, was ihr davon haltet?
»
» 2. Und gibt es Alternativen, die man "einfach" umsetzen kann?
»
» Im Prinzip möchte ich nur eine entgegengesetzte Gleichspannung zu dem
» Offset am Eingang einsetzen, ohne Unsymmetrien und Dämpfung im Nutzsignal
» hervorzurufen, dass muss doch einfach zu realisieren sein...
»
» Anbei habe ich die Schaltung und ein einen Graph mit der Eingangsspannung
» Vin+ und der Ausgangsspannung Vout2 hinzugefügt.
»
» schöne Grüße und ein schönes Wochenende
»
» Ovid
»
» https://www.elektronik-kompendium.de/forum/upload/20230512200803.pdf
»
»
»
» https://www.elektronik-kompendium.de/forum/upload/20230512200822.pdf

Führ mal die Simulation mit Toleranzen aus und du siehst das Problem.

Was hindert dich an der Dimensionierung eines geeigneten Hochpasses?

Mikee

13.05.2023,
09:19

@ Ovid

Verstärkerschaltung für MEMS Mikrofon

Hallo!

» ... Koppelkondensatoren am Eingang
» Die funktionieren auch, nur gibt es da ein Problem, mein Audiosignal wird
» natürlich frequenzweise gedämpft weil Hochpass und so weiter.

Warum dimensionierest Du den Hochpass nicht so, dass er alle relevanten
Frequenzen durchlässt? Also Hochpass bei 20Hz oder falls Infraschall
gemessen werden soll, dann auch 1Hz.


» Im Grunde geht es darum, einen 1,01 V Offset am Eingang (und
» dementsprechend verstärkt am Ausgang) wegzubügeln.

Du hast doch einen Differenzverstärker am Eingang. Der Eingangsoffset ist
damit schon ausgeschaltet. Bleibt der Offset des Differenzverstärkers selbst.
Der kann aber eigentlich nicht so hoch sein, als dass dadurch die Funktion
der Schaltung in Frage gestellt werden sollte. Das wäre nur kritisch, wenn
Du 5V Versorgungsspannung hast und (mehr als) 1Veff Ausgangssignal.

Bei den üblichen +/-15V Ub kann der Offset doch 1... 2V betragen, einfach
Hochpass dahinter, evtl. noch ein Impedanzwandler, fertig.

Mikee

Ovid(R)

15.05.2023,
19:03
(editiert von Ovid
am 15.05.2023 um 19:04)


@ Mikee

Verstärkerschaltung für MEMS Mikrofon

» Hallo!
»
» » ... Koppelkondensatoren am Eingang
» » Die funktionieren auch, nur gibt es da ein Problem, mein Audiosignal
» wird
» » natürlich frequenzweise gedämpft weil Hochpass und so weiter.
»
» Warum dimensionierest Du den Hochpass nicht so, dass er alle relevanten
» Frequenzen durchlässt? Also Hochpass bei 20Hz oder falls Infraschall
» gemessen werden soll, dann auch 1Hz.
»
»
» » Im Grunde geht es darum, einen 1,01 V Offset am Eingang (und
» » dementsprechend verstärkt am Ausgang) wegzubügeln.
»
» Du hast doch einen Differenzverstärker am Eingang. Der Eingangsoffset ist
» damit schon ausgeschaltet. Bleibt der Offset des Differenzverstärkers
» selbst.
» Der kann aber eigentlich nicht so hoch sein, als dass dadurch die Funktion
» der Schaltung in Frage gestellt werden sollte. Das wäre nur kritisch, wenn
» Du 5V Versorgungsspannung hast und (mehr als) 1Veff Ausgangssignal.
»
» Bei den üblichen +/-15V Ub kann der Offset doch 1... 2V betragen, einfach
» Hochpass dahinter, evtl. noch ein Impedanzwandler, fertig.
»
» Mikee

Also, wie ich eingangs schon gesagt habe, KEINE Kondensatoren weil die das Signal verzögern, egal wie geschaltet.
Deswegen sollen die raus und ich muss mir eine Alternative überlegen.

Hier habe ich mal die ltspice dateien angehangen:

https://filehorst.de/d/ekomFbac

schöne Grüße

Ovid

xy(R)

E-Mail

15.05.2023,
20:04

@ Ovid

Verstärkerschaltung für MEMS Mikrofon

» Hier habe ich mal die ltspice dateien angehangen:
»
» https://filehorst.de/d/ekomFbac

Unvollständig, aber dafür unnötige FFT dabei.

Ovid(R)

15.05.2023,
21:28

@ xy

Verstärkerschaltung für MEMS Mikrofon

Ok und welche Dateien fehlen?

schöne Grüße

» » Hier habe ich mal die ltspice dateien angehangen:
» »
» » https://filehorst.de/d/ekomFbac
»
» Unvollständig, aber dafür unnötige FFT dabei.

xy(R)

E-Mail

15.05.2023,
21:49

@ Ovid

Verstärkerschaltung für MEMS Mikrofon

» Ok und welche Dateien fehlen?

Das Poti, mindestens.

Und wenn du das unnötige weglässt, dann kannst das Zip-File direkt hier hochladen.

Ovid(R)

16.05.2023,
12:17

@ xy

Verstärkerschaltung für MEMS Mikrofon

Recht hat er, alles klar, alles andere sollte jetzt aber drin sein.

LG
» » Ok und welche Dateien fehlen?
»
» Das Poti, mindestens.
»
» Und wenn du das unnötige weglässt, dann kannst das Zip-File direkt hier
» hochladen.

https://www.elektronik-kompendium.de/forum/upload/20230516121753.zip

xy(R)

E-Mail

16.05.2023,
12:37

@ Ovid

Verstärkerschaltung für MEMS Mikrofon

» Recht hat er, alles klar, alles andere sollte jetzt aber drin sein.

Allerdings auch einige Bezüge auf das Dateisystem *deines* Rechners.

Die musste ich manuell entfernen, die Includes nachtragen, dann lief es.


Was ist denn das für ein Mikrofon? Gibts da ein Datenblatt?

Und was sollen die Spannungsquellen mit 1mV?

Ovid(R)

21.05.2023,
00:32

@ xy

Verstärkerschaltung für MEMS Mikrofon

Oh alles klar, ja das wusste ich nicht, wüsste auch gar nicht wie das geht...aber danke das du das gemacht hast.

Das Mikro ist ein ICS-40619 von TDK:

https://invensense.tdk.com/wp-content/uploads/2016/02/ICS-40619-Datasheet.pdf

Die Spannungsquellen mit 1 mV sollen jeweils den Offset der beiden OP's simulieren, der mit in das Signal "hineinfließt".

Das Mikro selbst hat ein Differential Offset von 10 mV und einen Output Common Mode "Offset" von 1 V im High Performance Modus, wo das Mikro auch liegt.

Daher ist in einem Eingang ein Offset von 1,01V eingetragen.

schöne Grüße


» Allerdings auch einige Bezüge auf das Dateisystem *deines* Rechners.
»
» Die musste ich manuell entfernen, die Includes nachtragen, dann lief es.
»
»
» Was ist denn das für ein Mikrofon? Gibts da ein Datenblatt?
»
» Und was sollen die Spannungsquellen mit 1mV?

xy(R)

E-Mail

21.05.2023,
02:51

@ Ovid

Verstärkerschaltung für MEMS Mikrofon

Deine Modellierung des Mikrofons ist grob falsch. Kommst du selbst auf die mehreren Fehler?

Und auch bei der restlichen Schaltung könnte man einiges besser machen. Sie ist z.B. unnötig asymmetrisch.

Ovid(R)

22.05.2023,
18:26
(editiert von Ovid
am 22.05.2023 um 18:29)


@ xy

Verstärkerschaltung für MEMS Mikrofon

» Deine Modellierung des Mikrofons ist grob falsch. Kommst du selbst auf die
» mehreren Fehler?

Nicht wirklich, ich denke dann hätte ich das Ganze auch anders aufgebaut und simuliert.
Was genau meinst du?

» Und auch bei der restlichen Schaltung könnte man einiges besser machen. Sie
» ist z.B. unnötig asymmetrisch.

Das habe ich Anfangs erklärt, warum ich diese Schaltung gewählt habe.
Interessant ist, dass LTSpice mir keine Unsymmetrien anzeigt, Vout2 sieht gut aus.

Was würdest du denn ändern?

xy(R)

E-Mail

23.05.2023,
11:04

@ Ovid

Verstärkerschaltung für MEMS Mikrofon

» » Deine Modellierung des Mikrofons ist grob falsch. Kommst du selbst auf
» die
» » mehreren Fehler?
»
» Nicht wirklich, ich denke dann hätte ich das Ganze auch anders aufgebaut
» und simuliert.
» Was genau meinst du?

Ri vergessen, und Polarität des Offset einmal falsch.


» » Und auch bei der restlichen Schaltung könnte man einiges besser machen.
» Sie
» » ist z.B. unnötig asymmetrisch.
»
» Das habe ich Anfangs erklärt, warum ich diese Schaltung gewählt habe.
» Interessant ist, dass LTSpice mir keine Unsymmetrien anzeigt, Vout2 sieht
» gut aus.
»
» Was würdest du denn ändern?

Richtigen Instrumentenverstärker nehmen, z.B. SSM2019.

Ovid(R)

29.05.2023,
13:12

@ xy

Verstärkerschaltung für MEMS Mikrofon

» Ri vergessen, und Polarität des Offset einmal falsch.

Stimmt, aber da weiß ich nicht wo ich was eintragen muss...laut Datenblatt des Mikros gibt es nur den Eintrag bei Differential Output Impedance.
Ich bin im High Modus, also liegt dieser bei 355 Ohm.
Ist das der Ri? Was mache ich mit dem und wo trage ich ihn bei der Quelle ein?
Ich hab gelesen, dass ich diesen durch 2 teile, dann bekomme ich die Impedanz pro Leitung raus, ist das mein Ri?

Wo trage ich den ein? Müsste ich ja dann wahrscheinlich in beiden Eingangsquellen eintragen...

Ehrlich gesagt, ist das ebenso eine Frage, die ich seit Jahren nicht beantwortet bekommen habe, wäre echt cool, wenn ich das endlich auch weiß :)

Ebenso die Frage mit dem Offset, wie kann ich die Polarität des Offset richtig stellen?
Laut DB gibt es ja die Common Mode Voltage, diese liegt bei 1V und genau um diese schwingt ja das Nutzsignal.
Und genau diese möchte ich möglichst klein haben.

» Richtigen Instrumentenverstärker nehmen, z.B. SSM2019.

Danke für den Vorschlag, das Thema Instrumentenverstärker hatte ich auch schon auf dem Schirm, ich hatte es erstmal nicht weiter verfolgt da ich
einfach nur einen OPV nutzen wollte, ist ja schliesslich eine Grundschaltung, warum sollte diese nicht funktionieren?

Aber in Zukunft wird das wahrscheinlich nochmal Thema werden, genauso wie "Auto-Zero-Drift OPV" für die Offsetregulierung.
Allerdings gibts da auch noch ne Menge Fragen...ist jetzt aber erstmal egal.

Danke auf jeden Fall erstmal für deine Hilfe bis hierhin, dass bringt mich auf jeden Fall schon super weiter! :)

xy(R)

E-Mail

29.05.2023,
13:26

@ Ovid

Verstärkerschaltung für MEMS Mikrofon

» Ich hab gelesen, dass ich diesen durch 2 teile, dann bekomme ich die
» Impedanz pro Leitung raus, ist das mein Ri?

Ja.


» Wo trage ich den ein? Müsste ich ja dann wahrscheinlich in beiden
» Eingangsquellen eintragen...

Ja.



» Danke für den Vorschlag, das Thema Instrumentenverstärker hatte ich auch
» schon auf dem Schirm, ich hatte es erstmal nicht weiter verfolgt da ich
» einfach nur einen OPV nutzen wollte, ist ja schliesslich eine
» Grundschaltung, warum sollte diese nicht funktionieren?

Sie funktioniert, aber eben weniger gut.