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Pre-AMP ELF 0,001-35 Hz

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ritratto di Radio Emissions Project
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Salve a tutti,
sono nuovo nel forum.

Sono circa 2 anni che sto cercando di progettare lo schema di un ricevitore ELF che sia in grado di lavorare tra 0,001 e 35 Hz e che sia in grado di amplificare un segnale elettrico alternato di 11-50nV e di alcune decine di pA. Tale segnale è presente all'uscita di un'antenna a bobina contenente circa 40000 spire avvolte su nucleo ferromagnetico che è in grado di captare il fondo geomagnetico terrestre.

Visto che ho la necessità di lavorare con un'alimentazione singola, il circuito dovrebbe essere sviluppato utilizzando un OP-AMP (tipo OP27) fatto lavorare in AC e configurato in modalità non invertente con tensione singola.

Vi chiedo un aiuto!
Grazie.
Gabriele.

ritratto di Piero Boccadoro
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Scusa la domanda ma forse m'è

Scusa la domanda ma forse m'è sfuggito un passaggio: perchè devi lavorare in AC?
Che tipo di componenti di rumore hai? Con un segnale così piccolo questa domanda era d'obbligo... :)

ritratto di Radio Emissions Project
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Pre-AMP ELF 0,001-35 Hz

Ciao Piero, grazie per la risposta.
Devo lavorare in AC poiché la tensione ai capi della bobina può cambiare polarità in quando il campo geomagnetico non è stabile.
Il campo magnetico terrestre (o geomagnetico) ha un'intensità variabile:

>300nT a 0,002 Hz
alcuni nT a 5 Hz
1-1,8 pT a 8 Hz

Con un'antenna a bobina di alcune centinaia di Henry (di circa 40000 spire, lunga 50 cm e con nucleo di ferro del diametro di 1 cm), tale campo magnetico viene trasdotto in una corrente che ha una tensione di alcune deicne di nV e un'intensità di alcune decine di pA.

Su "Nuova Elettronica" ho trovato uno schema che fa al caso mio, perchè c'è un OP-AMP che lavora in AC e in modalità non-invertente e addirittura ad alimentazione singola! Solo che non saprei come calolarmi i valori delle resistenze e dei condensatori (in tutto 8 componenti passivi) per far lavorare l'amplificatore tra 0,001 e 35 Hz, determinando un'amplificazione di 300x.

Questo è lo schema, non fare caso ai valori dei componenti in rosso...: http://www.ltpaobserverproject.com/uploads/3/0/2/0/3020041/pre-amp_0001-35hz.gif

Puoi aiutarmi?
Grazie.

Gabriele

ritratto di Piero Boccadoro
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Allora, guardando quello che

Allora, guardando quello che hai allegato non mi sembra che sia particolarmente difficile.
Innanzitutto vediamo da subito come è fatto questo circuito per capire come deve essere fatta tutta la rete intorno all'integrato.

Prima di tutto cominciamo dalla banda: hai detto che ti serve da 1 mHz a 35 Hz.
Bene, come puoi vedere tu stesso ad un certo punto c'è scritto:

"per ottenere una banda passante che da un minimo……15 kHz"

bene, proprio questa frase dovrebbe esserti di aiuto :)
In pratica il calcolo successivo, o meglio i calcoli successivi, che coinvolgono le due capacità, sono esattamente gli stessi che devi fare tu solamente che vanno sostituiti i valori "giusti" delle frequenze.

Per fare questo devi anche aver calcolato i valori utili delle resistenze.
I valori delle resistenze vanno fissati sulla base del valore del guadagno che vuoi che lo stadio abbia (quello che tu hai detto deve essere pari a 300).
Per fare questo calcolo devi considerare che, come viene indicato qui,

guadagno=(R1:R2)+1

quindi, sapendo che il guadagno deve essere pari a 300 puoi facilmente ricavare le due esistenze come rapporto di resistenze. Cioè tu avrai un numero e dovrai trovare due valori di resistenze che rapportate l'una all'altra diano quel valore.
Ovviamente di numeri che rapportati tra loro ci danno quel risultato ce ne sono un'infinità numerabile ovvero sono infiniti perché sono infiniti i numeri ma solo alcune combinazioni ti daranno quel risultato.

La domanda diventa, allora, "come si fa a capire quali di quei numeri mi interessano?" (Ovvero interessano te :p)
La risposta è molto semplice: i valori disponibili commercialmente per le resistenze non sono infiniti. Vale la pena di considerare le resistenze commercialmente disponibili (preferibilmente) nell'ordine dei kOhm che rispondono a questo criterio.
Una volta che hai trovato questi valori di resistenze, il dimensionamento delle capacità è presto fatto :)

Ovviamente questo non esaurisce tutti i problemi di cui devi tenere conto perché una volta che hai definito il guadagno, dovrai necessariamente confrontare questo dato con quello del dispositivo! Non è vero, infatti, che tutti i valori di guadagno sono possibili per qualunque tipo di amplificatore operazionale.
Inoltre, qualunque valore di guadagno tu imponga avrà delle conseguenze sul rumore!!!!!!!
E quindi a questa figura di merito dovrai stare particolarmente attento! :)

Spero e mi auguro di essere stato chiaro.
Fammi sapere. :)

ritratto di Radio Emissions Project
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Componenti passivi...

Certamente.
Allora volendo impostare un guadagno di 400x, ad esempio (se non voglio utilizzare un secondo stadio è bene che l'amplificazione sia buona: so per certo che una persona che conosco e che ha realizzato un ricevitore simile ha dato al pre-amp un guadagno di 555x, sempre un OP27, senza avere problemi)allora sceglierò per R2 1MOhm e per R1 2,5KOhm. Sin quì tutto bene, ora il problema è calcolarmi la capacità dei consensatori C2 e C3 in relazione però: alle resistenze R2 e R1 e alla banda passante che, nel mio caso deve essere tra 1mHz e 35 Hz.

Sulla spiegazione fornita dall'articolo, purtroppo per me, c'è scritto come calcolare C1 e C2 e non C3! Ecco dunque il primo problema...

Per quanto riguarda C2 (che funge da LPF), questà va calcolata così:

C2 (pF) = 159000/(R2 Kohm x Khz)

Per cui, considerando la frequenza di taglio di 35 Hz:

C2 (pF) = 159000/(1000 X 0,035) --> C2 (pF) = 5565000 --> C2 = 5,56 uF

Ok, ora passiamo a C1. Stando alla descrizione del testo, C1 è uguale a:

C1 (uF) = 159000/(R1 Ohm x Hz)

Per cui, considerando la frequenza di taglio di 0,001 Hz:

C1 (uF) = 159000/(2500 x 0,001) --> C1 (uF) = 397500 --> C2 = 395 mF

Il problema è che non so se C1 lavora come filtro passa basso o passa alto..., questo non è specificato!!!, ma presumo che lavori come un HPF in quanto C1 c'è scritto che determina la minima frequenza passante...
Un condensatore da 400mF è enorme!...

Fin quì ci sono, giusto???
Ecco, il secondo problema è rappresentato dai componenti passivi restanti.
R4 R5 se non erro, servono per creare un punto di 0v virtuale e quindi dovrebbero essere da 10K entrambi (come indicato anche nell'articolo.
R3 e C5??? Sull'articolo c'è scritto che R2-R3 = vedi guadagno... Questo significa che R3 deve avere la stessa impedenza di R2??? Penso di si..., ma siamo sicuri? C5, invece viene indicato come un condensatore in poliestere da 100nF...: questo singifica che non deve essere calcolato in relazione della banda passante???
Poi inoltre c'è C3 in serie a R1... Credo che C3 debba essere calcolato in base alla frequenza di lavoro del circuito... Ma non conosco la formula per calcolarlo... Come faccio?

Ecco, questi sono i miei dubbi... Cosa ne pensi???

Gabriele.

ritratto di Piero Boccadoro
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Con due resistenze più basse

Con due resistenze più basse però restituirebbe dei valori più sensati :)
Per quanto riguarda gli altri componenti... mi riservo di farmi un'idea presto :)

ritratto di Nicola Fabbri
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Suggerimento

Con un sigolo OP realizzare dei gain di 300 è piuttosto critico, meglio usare 2 o 3 OP per realizzare questo tipo di configurazione. Non ho sotto mano il circuito di riferimento, ma quello a 3 OP ha diversi vantaggi, senza dover ricorrere a IC particolarmente costosi.
L'unica cosa che mi viene da chiedere è perchè devi isolare la componente continua, dato che il trasduttore è una induttanza questa non entra assolutamente! Fra l'altro realizzare un filtro passa alto a 0.001 Hz è piuttosto complesso... Se ti servono indicazioni cerco lo schema, io però comincerei a vedere cosa esce dalla bobina su un carico di 1 Mohm con un oscilloscopio. Sarebbe interessante vedere come hai relizzato la bobina.

 

 

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