Circuito para la detección de tensiones de pequeño nivel (microvoltios)

Question

Últimamente he estado trabajando en un proyecto que ayuda en la detección de potenciales miogénicos (de los niveles de micro-voltios). Después de estudiar de varios lugares, he finalizado el siguiente circuito de prueba.

Los divisores de tensión iniciales ayudan a generar la señal de prueba de micronivel a partir de una onda sinusoidal de 1V y 1,5khz. La segunda etapa es el amplificador de instrumentación, a continuación el filtro de paso bajo de segundo orden y por último el amplificador no inversor. Cuando este circuito se simula en TINA de TI, funciona como se requiere. Pero cuando se implementa en la PCB, no obtengo nada cercano a la entrada sino una onda de 150-180kHz, algo en forma triangular. Los siguientes son los esquemas de la placa

Puede alguien sugerirme cómo puedo seguir adelante ya que tensiones tan pequeñas son ya muy difíciles de medir. Gracias de antemano.

Answer 1

Aunque es posible diseñar un filtro Sallen Key con una ganancia superior a la unidad, esto es bastante infrecuente por una razón. Cualquier ganancia en él introduce una retroalimentación positiva en la estructura y la conduce hacia la inestabilidad. Sobre todo si se tienen en cuenta los propios polos del amplificador.

El OPA177 tiene un ancho de banda de ganancia de ~600kHz, a una ganancia de 3 tienes un polo no contabilizado a ~200kHz en tu etapa Salen-Key, bastante cerca de la frecuencia de oscilación que estás observando.

Reduce la ganancia de esa etapa a 1,5 como máximo y vuelve a calcular los elementos del filtro. Puedes empezar eliminando R8 (ajustando así la ganancia a la unidad) y probar lo que obtienes.

Answer 2

Se supone que el amplificador óptico de un filtro Sallen-Key es un amortiguador de ganancia unitaria. El tuyo tiene una ganancia de +3, así que no es sorprendente que esté oscilando. Wikipedia habla de esto.

Si necesitas tanta ganancia, tienes que hacerlo en otra parte.

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También está el informe de aplicación de Texas Instruments Análisis del filtro de llaves de Sallen que explica por qué la ganancia de 3 o más será un problema. Para ser específicos, Pg. No 5.

Answer 3

El hecho de que tu circuito esté oscilando a una frecuencia tan alta sugiere fuertemente que tienes problemas de tierra/desacople. JRE comentó que necesitas un plano de tierra sólido, y estoy de acuerdo. Hay que reconocer que esto significa que tendrás que ser creativo a la hora de enrutar -Vcc. Además, tus esquemas no incluyen las tapas de desacoplamiento que claramente has utilizado. Por favor, actualice para mostrar lo que realmente ha utilizado.

Answer 4

Suponga que tiene 60Hz a 1 amperio (377 amperios/segundo), a 1 metro de distancia de su PCB. Suponga que su PCB es un bucle de 1 cm^2 en la entrada. ¿Cuántas interferencias captará?

V = 2e-7 * Area/Distance * dI/dT
  = 2e-7 * (1cm * 1cm)/ 1 meter * 377
  = 2e-7 * 1e-4 * 377
  = 1e-11 * 800 
  = about 8 nanoVolts.

• Si la distancia es menor, se obtiene más basura.

• Si el área de la placa de circuito impreso, o el área del cableado diferencial, es mayor, se obtiene más basura.

• Si los 60Hz tienen picos de corriente de los diodos rectificadores (normalmente cerca de los picos de las ondas sinusoidales), se obtiene más basura.

• Si la corriente proviene de un interruptor-regulador de ladrillo negro, el dI/dT es fácilmente 1.000X más rápido, y se obtiene más basura.

¿Cuáles son los grados de libertad, para reducir Vinduce y/o reducir los riesgos?

1. asegúrese de que todos los cables de alimentación tengan los hilos calientes y de retorno muy cerca (como se hacen los cables de alimentación) y que los hilos calientes/de retorno sean pares trenzados

2. tienen filtrado de sobretensiones de entrada en todas las fuentes de alimentación de 60 Hz, por lo que las sobretensiones de los diodos rectificadores no son de 10 amperios/10 microsegundos, sino más bien de 10 amperios / 1 milisegundo.

3. tienen un blindaje de acero (acero galvanizado fino) alrededor de todas las fuentes de alimentación

4. diseñar la placa de circuito impreso con una separación de 10 milímetros entre las trazas.

5. ahora sobre esas almohadillas conductoras de la piel y el cableado: enormemente vulnerables a los campos magnéticos y a los campos eléctricos---- es un mundo duro.

Observe que el nivel calculado es de 8 nV a 60 Hz. Para una configuración que tiene el cable de alimentación HOT a una distancia infinita del cable de alimentación RETURN. Los cables de alimentación normales tienen el HOT al lado (a 2mm de distancia) del cable de RETORNO, por lo que se espera otra reducción de 10:1 o 100:1. Esta es la razón por la que los audiófilos de alto nivel utilizan cables de alimentación especiales, cuando sus amplificadores de potencia consumen picos de 100 amperios, con horribles subidas de corriente de encendido de diodos.

Por cierto, la fórmula inicial proviene de

Vinduce = [MUo * MUr * Area / (2 * pi * Distance)] / dI/dT

en esta topología

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Answer 5

Otro riesgo son los carriles VDD compartidos. Cuando era niño, construí (no dije "diseñé", sino que construí) numerosos amplificadores discretos-bipolares de 6 etapas acoplados a la CA que OSCILABAN HASTA Aprendí a utilizar una mentalidad de filtrado de árboles para los carriles.

El OPA177 tiene una excelente PSRR en DC, pero a 100Hz es de unos 80dB, y a 1MHz será sólo CERO DB (1:1).

Así, la basura VDD a 1MHz no se atenuará a la entrada referida. Sin embargo, su etapa de ganancia 100X no tiene ninguna restricción de ancho de banda.

Y la etapa de filtro óptico no tendrá ningún control sobre su salida a altas frecuencias, y la basura VDD llegará directamente).

Una tarea de diseño adicional es el árbol VDD (en realidad dos árboles VDD).

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab