INA163 als Vorverstärker
Kai-Martin Knaak
Ich möchte mir mehrere Tastspitzen mit differentiellen Vorverstärker
bauen. Dabei geht es um eher langsame, dafür sehr kleine Signale. Für die
Schaltung denke ich an einen fertig integrierten Instrumentenverstärker.
Beim Blättern durch diverse Datenblätter bin ich auf den INA163 gestoßen.
Die Komination von 125 dB CMR, 1 nV/sqrt(Hz)@1kHz Eingangsrauschen mit
800kHz Bandbreite klingt fast zu gut, um wahr zu sein. Jedenfalls hebt
sie sich deutlich von den anderen INA***, AD6**, oder LT1167 ab. Habe ich
vielleicht eine Schwäche übersehen, mit der die gutewn Werte erkauft
wurden? Vielleicht besondere Ansprüche an die Signalquelle?
Für noch bessere Alternativen, bin ich natürlich auch offen...
---<(kaimartin>)---
--
Kai-Martin Knaak
Öffentlicher PGP-Schlüssel:
http://pgp.mit.edu:11371/pks/lookup?op=get&search=0x6C0B9F53
Uwe Bonnes
> Moin.
> Ich m�chte mir mehrere Tastspitzen mit differentiellen Vorverst�rker
> bauen. Dabei geht es um eher langsame, daf�r sehr kleine Signale. F�r die
> Schaltung denke ich an einen fertig integrierten Instrumentenverst�rker.
> Beim Bl�ttern durch diverse Datenbl�tter bin ich auf den INA163 gesto�en.
> Die Komination von 125 dB CMR, 1 nV/sqrt(Hz)@1kHz Eingangsrauschen mit
> 800kHz Bandbreite klingt fast zu gut, um wahr zu sein. Jedenfalls hebt
> sie sich deutlich von den anderen INA***, AD6**, oder LT1167 ab. Habe ich
> vielleicht eine Schw�che �bersehen, mit der die gutewn Werte erkauft
> wurden? Vielleicht besondere Anspr�che an die Signalquelle?
Die Quelle sollte hinreichend niederohmig sein:
> As a result, the INA163 may not provide the best noise performance
> with a source impedance greater than 10kOhm
--
Uwe Bonnes b...@elektron.ikp.physik.tu-darmstadt.de
Institut fuer Kernphysik Schlossgartenstrasse 9 64289 Darmstadt
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Kai-Martin Knaak
> Die Quelle sollte hinreichend niederohmig sein:
Danke für den ausdrücklichen Hinweis. Ich hatte ja geahnt, dass es nicht
der IC zur Lösung aller Messprobleme ist ;-)
Dann bekommt das Layout eben zwei alternativ zu bestückende Varianten.
Dann kann ich ausprobieren, was sich im konkreten Fall als besser erweist.
Der spezielle Anlass für den Vorverstärker ist eine Rauschmessung unserer
Stromtreiber für Laserdioden. Das sollte gut niederohmig sein.
Joerg
> Moin.
>
> Ich möchte mir mehrere Tastspitzen mit differentiellen Vorverstärker
> bauen. Dabei geht es um eher langsame, dafür sehr kleine Signale. Für die
> Schaltung denke ich an einen fertig integrierten Instrumentenverstärker.
>
> Beim Blättern durch diverse Datenblätter bin ich auf den INA163 gestoßen.
> Die Komination von 125 dB CMR, 1 nV/sqrt(Hz)@1kHz Eingangsrauschen mit
> 800kHz Bandbreite klingt fast zu gut, um wahr zu sein. Jedenfalls hebt
> sie sich deutlich von den anderen INA***, AD6**, oder LT1167 ab. Habe ich
> vielleicht eine Schwäche übersehen, mit der die gutewn Werte erkauft
> wurden? Vielleicht besondere Ansprüche an die Signalquelle?
>
Uwe hatte es ja schon auf den Punkt gebracht, nur ist der INA163 selbst
bei 10k wohl nicht mehr so dolle. Zitat "Its 1nV/rtHz voltage noise
delivers near theoretical noise performance with a source impedance of
200ohms."
> Für noch bessere Alternativen, bin ich natürlich auch offen...
>
Man koennte ueberlegen, ob je ein Folger vor den Eingaengen ginge.
Koenntest Du auch Iso-Amps verwenden, wo Mess- und Abnahmeseite
galvanisch getrennt sind? Konkrete Tips mit Erfahrungen fuer integrierte
Versionen haette ich nicht, da ich die aus Kostengruenden immer selbst
entwickelt habe. Mit Ferritkernen und so. Aber AD hat wohl etliche
fertig zum Einloeten, Knack- und Back-Packung sozusagen. Kostet halt.
Bei Selbstbau gaebe es auch noch andere Loesungen: Spannung notfalls mit
Ferritkern, LAN-Uebertrager, oder was sonst so rumfliegt auf die
Eingangsseite bringen, dann einen Optokoppler mit zwei Phototransistoren
drin setzen, davon eine in den FB Zeig auf der Eingangsseite und schon
hat man auf dem zweiten 1:1 oder 1:definiert das Messignal anliegen.
Isoliert haette das den Vorteil, dass auch hohe Potnzialunterschiede
kein fatz ... *PENG* verursachen. Falls mal Physiker drangehen ... <duck>
--
Gruesse, Joerg
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Klaus Bahner
>
> Für noch bessere Alternativen, bin ich natürlich auch offen...
>
Ich benutze fuer so etwas gerne den INA128U. Der hat eine bessere CMR,
geringere Drift und geringere Offsetsspannungen und einen geringeren
Biasstrom und eine hoehere Bandbreite. Er rauscht allerdings mehr als
der INA163, wie wichtig das fuer deine Anwendung ist, kannst nur du
beurteilen.
Wichtig ist unter allen Umstaenden die richtige Eingangsbeschaltung
(return Pfad fuer die Biasstroeme und HF Filter). Und genau auf den
erlaubten common mode Bereich achten. Der ist bei
Instrumentenverstaerken sehr viel kleiner als man von OPs gewoehnt ist.
Gruss
Klaus
Joerg
Bei Einsatz von Verstaerkern in nicht-CMOS Technik empfiehlt es sich
auch darauf zu achten, dass Leute in der Naehe keine eingeschalteten
Handys tragen. Stummschaltung reicht nicht ;-)
Kai-Martin Knaak
> Uwe hatte es ja schon auf den Punkt gebracht, nur ist der INA163 selbst
> bei 10k wohl nicht mehr so dolle.
Ja, diesen Punkt hatte ich noch nicht richtig auf dem Schirm, als ich das
OP schrieb. Die Anwendung, für die ich wirklich an die Rauschgrenze
muss/will ist allerdings ziemlich niederohmig: Es sind unsere
Diodenstromtreiber. Der differentielle Widerstand so einer IR-Diode ist
eher im zweistelligen Bereich.
Als Zukunftsperspektive für hochohmige Lasten (und um zu testen, ob ich
tatsächlich am Rauschlimit der ICs kratze), sehe ich im Layout alternativ
einen LT1167 vor.
> Man koennte ueberlegen, ob je ein Folger vor den Eingaengen ginge.
Wenn ich Dich richtig verstehe, wäre dann sowas wie ein selbstgestrickter
Istumentenverstärker. Nen Vorurteil wäre, dass das erstmal nur schlechter
werden kann als die fertig integrierten Bauteile.
> Koenntest Du auch Iso-Amps verwenden, wo Mess- und Abnahmeseite
> galvanisch getrennt sind? Konkrete Tips mit Erfahrungen fuer integrierte
> Versionen haette ich nicht, da ich die aus Kostengruenden immer selbst
> entwickelt habe. Mit Ferritkernen und so.
Eher nicht, denn es geht gerade um die niedrigen Frequenzen von 5 Hz
aufwärts. Eine realistische Auflösung des 50 Hz Restgebirges ist Pflicht.
> Bei Selbstbau gaebe es auch noch andere Loesungen: Spannung notfalls mit
> Ferritkern, LAN-Uebertrager, oder was sonst so rumfliegt auf die
> Eingangsseite bringen, dann einen Optokoppler mit zwei Phototransistoren
> drin setzen, davon eine in den FB Zeig auf der Eingangsseite und schon
> hat man auf dem zweiten 1:1 oder 1:definiert das Messignal anliegen.
Und das ansatzweise eine Chance bei CMR und Rauscharmut mit den INAs
mitzuhalten? CMR glaube ich wegen galvanischer Trennung vielleicht noch.
Aber Rauschen?
> Isoliert haette das den Vorteil, dass auch hohe Potnzialunterschiede
> kein fatz ... *PENG* verursachen.
Besser gebratenes Silizium im Testverstärker als hinterher eine gegrillte
Laserdiode.
> Falls mal Physiker drangehen ...
Alle meine Schaltungen müssen mindestens einen Physiker aushalten...;-)
Joerg
> On Wed, 01 Jul 2009 08:41:13 -0700, Joerg wrote:
>
>> Uwe hatte es ja schon auf den Punkt gebracht, nur ist der INA163 selbst
>> bei 10k wohl nicht mehr so dolle.
>
> Ja, diesen Punkt hatte ich noch nicht richtig auf dem Schirm, als ich das
> OP schrieb. Die Anwendung, für die ich wirklich an die Rauschgrenze
> muss/will ist allerdings ziemlich niederohmig: Es sind unsere
> Diodenstromtreiber. Der differentielle Widerstand so einer IR-Diode ist
> eher im zweistelligen Bereich.
>
> Als Zukunftsperspektive für hochohmige Lasten (und um zu testen, ob ich
> tatsächlich am Rauschlimit der ICs kratze), sehe ich im Layout alternativ
> einen LT1167 vor.
>
>
>> Man koennte ueberlegen, ob je ein Folger vor den Eingaengen ginge.
>
> Wenn ich Dich richtig verstehe, wäre dann sowas wie ein selbstgestrickter
> Istumentenverstärker. Nen Vorurteil wäre, dass das erstmal nur schlechter
> werden kann als die fertig integrierten Bauteile.
>
Bei niederohmiger Quelle schon, und man muss drueber gegenkoppeln oder
Matched Pair besorgen. Aber hier kannst Du das ja vermeiden.
>
>> Koenntest Du auch Iso-Amps verwenden, wo Mess- und Abnahmeseite
>> galvanisch getrennt sind? Konkrete Tips mit Erfahrungen fuer integrierte
>> Versionen haette ich nicht, da ich die aus Kostengruenden immer selbst
>> entwickelt habe. Mit Ferritkernen und so.
>
> Eher nicht, denn es geht gerade um die niedrigen Frequenzen von 5 Hz
> aufwärts. Eine realistische Auflösung des 50 Hz Restgebirges ist Pflicht.
>
Nu ja, das muessen wir in der Medizin auch, bis fast DC runter. Unter
0.5Hz ist allerdings ziemlich sicher ein Zeichen dafuer, dass es dem
Patienten nicht mehr so gut geht ;-)
>
>> Bei Selbstbau gaebe es auch noch andere Loesungen: Spannung notfalls mit
>> Ferritkern, LAN-Uebertrager, oder was sonst so rumfliegt auf die
>> Eingangsseite bringen, dann einen Optokoppler mit zwei Phototransistoren
>> drin setzen, davon eine in den FB Zeig auf der Eingangsseite und schon
>> hat man auf dem zweiten 1:1 oder 1:definiert das Messignal anliegen.
>
> Und das ansatzweise eine Chance bei CMR und Rauscharmut mit den INAs
> mitzuhalten? CMR glaube ich wegen galvanischer Trennung vielleicht noch.
> Aber Rauschen?
>
Das wird so gut wie der Verstaerker, den Du ganz vorn spendiert hast.
Der verstaerkt einige zig dB und erst damit geht es ueber die Strecke.
Die Strecke selbst ist dann beinahe egal, ausser bei uns wo diverse
Behoerden bewiesen haben wollen dass die 5kV oder was immer abkann.
Sowohl bei Ferritkern wie auch bei Optopkopplern geht das ab DC. Beim
Ferritkern, indem das ganze pulsmoduliert und hinterher synchron
gleichgreichtet wird. Hoert sich komplizierter an als es ist, ich nehme
dabei oft ganz profan das Rechteck der Iso-Versorgung als Takt. Dann
gibt es noch V/F Wandlung und solche Spaesse. Viele Wege fuehren nach
Rom :-)
>
>> Isoliert haette das den Vorteil, dass auch hohe Potnzialunterschiede
>> kein fatz ... *PENG* verursachen.
>
> Besser gebratenes Silizium im Testverstärker als hinterher eine gegrillte
> Laserdiode.
>
Ja, aber wenn der Verstaerker nicht haelt, die Anlage denkt da ist noch
nicht genug Strom, etwas nachschiebt ...
>
>> Falls mal Physiker drangehen ...
>
> Alle meine Schaltungen müssen mindestens einen Physiker aushalten...;-)
>
Auch Doktoranden?
Kai-Martin Knaak
> Wichtig ist unter allen Umstaenden die richtige Eingangsbeschaltung
> (return Pfad fuer die Biasstroeme
^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
Danke für den Hinweis. Das hätte ich sost vermutlich auf die harte Tour
lernen müssen. Also je einen mittelgroßen Widerstand zu der Masse auf dei
sich die Versorgung bezieht. Wobei bei einem niederohmigen Signal
eigentlich auch ein Widerstand reichen müsste, weil der Bias-Strom vom
anderen Eingang dann eben durch die Last fließt. Oder verstehe ich das
falsch?
> und HF Filter).
Dafür dachte ich an jeweils eine unverbindliche Induktivität in Reihe mit
den Eingängen.
> Und genau auf den erlaubten common mode Bereich achten.
Ah. Daran hatte ich auch noch nicht gedacht.
<im-datenblatt-nachschau>
Bei der Rauschmessung an den Stromtreibern wird das kein Problem sein. Da
brauche ich die Differenzmessung hauptsächlich wegen ansonsten alles
dominierendem Radioempfang über eine gemeinsame Masse.
Joerg
> On Wed, 01 Jul 2009 19:27:53 +0200, Klaus Bahner wrote:
>
>> Wichtig ist unter allen Umstaenden die richtige Eingangsbeschaltung
>> (return Pfad fuer die Biasstroeme
> ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
> Danke für den Hinweis. Das hätte ich sost vermutlich auf die harte Tour
> lernen müssen. Also je einen mittelgroßen Widerstand zu der Masse auf dei
> sich die Versorgung bezieht. Wobei bei einem niederohmigen Signal
> eigentlich auch ein Widerstand reichen müsste, weil der Bias-Strom vom
> anderen Eingang dann eben durch die Last fließt. Oder verstehe ich das
> falsch?
>
>
>> und HF Filter).
>
> Dafür dachte ich an jeweils eine unverbindliche Induktivität in Reihe mit
> den Eingängen.
>
Kurz von den Pins dann je eine SMT Ferritperle, plus ein
Kondensatoerchen 100pF oder so von IN+ nach IN-. Falls doch mal jemand
sein Handy nicht ausgemacht hat.
Schirmblech duerfte auch angesagt sein, aber mittlerweile kann man die
ja backfertig bei Digikey bekommen, nur noch umbiegen.
>
>> Und genau auf den erlaubten common mode Bereich achten.
>
> Ah. Daran hatte ich auch noch nicht gedacht.
> <im-datenblatt-nachschau>
> Bei der Rauschmessung an den Stromtreibern wird das kein Problem sein. Da
> brauche ich die Differenzmessung hauptsächlich wegen ansonsten alles
> dominierendem Radioempfang über eine gemeinsame Masse.
>
Das waere u.U. eine separate Untersuchung wert. Radioempfang ueber Masse
ist nicht normal, es sei denn das ist eine riesige Anlage. Kann mich
auch nicht an grosse MW-Sender in Hannover erinnern.
Marte Schwarz
Hi J�rg,
> Nu ja, das muessen wir in der Medizin auch, bis fast DC runter. Unter
> 0.5Hz ist allerdings ziemlich sicher ein Zeichen dafuer, dass es dem
> Patienten nicht mehr so gut geht ;-)
das ist aber jetzt Unsinn. Um einen Puls von unter 30 detektiren zu k�nnen
reicht eine Bandbreite zwischen 30 Hz und 70 Hz locker. Was da z�hlt ist
der QRS-Komplex und der ist quasi unabh�ngig von der Herzrate. Die untere
Grenzfrequenz braucht man zur Auswertung flachen Zwischenst�cke der
ST-Steigung bzw -Senkung... Liegt die untere Grenzfrequenz zu hoch, ist die
ST immer flach.
Marte
Joerg
Zum einen muessen die flachen Zwischenstuecke ausgewertet werden. Uns
Ingenieuren steht nicht zu, den Mediziner zu sagen dass sie das nicht
brauchen ;-)
Zum anderen muessen auch andere Sachen uebertragen werden wie etwa
Doppler und lokale Blutdruckwerte. Mit einer Bandbreite von 30-70Hz
gewinnst Du in diesem Bereich der Medizinelektronik keinen Blumenpott.
Marte Schwarz
>>> Nu ja, das muessen wir in der Medizin auch, bis fast DC runter. Unter
>>> 0.5Hz ist allerdings ziemlich sicher ein Zeichen dafuer, dass es dem
>>> Patienten nicht mehr so gut geht ;-)
>>
>> das ist aber jetzt Unsinn. Um einen Puls von unter 30 detektiren zu
>> k�nnen reicht eine Bandbreite zwischen 30 Hz und 70 Hz locker. Was da
>> z�hlt ist der QRS-Komplex und der ist quasi unabh�ngig von der Herzrate.
>> Die untere Grenzfrequenz braucht man zur Auswertung flachen
>> Zwischenst�cke der ST-Steigung bzw -Senkung... Liegt die untere
>> Grenzfrequenz zu hoch, ist die ST immer flach.
>
> Zum einen muessen die flachen Zwischenstuecke ausgewertet werden.
Les noch einmal genau, was Du geschrieben hattest und was ich Dir darauf
geantwortet hatte...
> Uns Ingenieuren steht nicht zu, den Mediziner zu sagen dass sie das nicht
> brauchen ;-)
Solche Diskussionen (auch in entgegengesetzter Richtung) hab ich schon oft
gef�hrt. Du glaubst nicht welcher Unfug bei Medizinern in Puncto
Spannung/Strom/Energie... im Umlauf ist. Aber man muss dann gute
Physiologiekenntnisse mitbringen, um auf Augenh�he diskutieren zu k�nnen.
> Zum anderen muessen auch andere Sachen uebertragen werden wie etwa Doppler
> und lokale Blutdruckwerte. Mit einer Bandbreite von 30-70Hz gewinnst Du in
> diesem Bereich der Medizinelektronik keinen Blumenpott.
hab ich auch nie behauptet. Im (implantierten) Schrittmacher wird aber
tats�chlich nicht mehr an Bandbreite mitgenommen, zumindest, wenn man sich
f�rs EKG interessiert
Marte
Rolf Bombach
>
> Wenn ich Dich richtig verstehe, wäre dann sowas wie ein selbstgestrickter
> Istumentenverstärker. Nen Vorurteil wäre, dass das erstmal nur schlechter
> werden kann als die fertig integrierten Bauteile.
In der Regel jein. Die fertigen Bausteine sind eben fertige Bausteine,
die man nicht mehr weiter konfigurieren kann. Sie bestehen aus Eingangsstufe
und Ausgangsstufe. Letztere hat idR viel schlechtere Rauschwerte, typischerweise
30-100 nV/sqrt(Hz). Die macht dann die Rauschwerte bei tiefer gewählter
Verstärkung kaputt. Auch sind die Rauschwerte bei ganz tiefen Frequenzen
bei fertigen InAmps oft schlechter als bei sehr guten Opamps oder
Transistorpaaren. Beim INA163 und Gain=10 bei 1 Hz hat man dann plötzlich
50-100 nV/sqrt(Hz).
Bei Selbstbau kann man IMHO besser was geeigneteres an das Problem
herandesignen. Wird aber aufwändig, knifflig, teuer usw. Siehe z.B.
die Beispielschaltung im Datenblatt des MAT-04.
--
mfg Rolf Bombach
Joerg
Aufwendig schon, aber wenn man einmal ein Design stehen hat dann kann
man das meist mit leichten Aenderungen wieder und wieder verwenden fuer
andere Anlagen. Hier kloppt sich gerade jemand seit fast einem Monat mit
einem zickigen HF Chip rum. Ich hatte denen damals schon gesagt sie
sollten das diskret machen. Kann sein dass sie es jetzt diskret machen :-)
Der diplomatische Consulent wird sich natuerlich hueten zu sagen "I told
you so" oder sueffisant dreinzugucken.