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Vorverstärker erweitert Dynamikbereich von Digitizern

01. September 2015 - Spectrum hat die Vorverstärkern der Serie SPA für die Aufzeichnung von Signalen mit extrem niedrigen Pegeln vorgestellt. In Kombination mit einem Digitizer von Spectrum können diese rauscharmen Verstärker den Dynamikbereich und die Empfindlichkeit stark verbessern. Insgesamt sind sieben verschiedene Vorverstärker verfügbar, so dass jeweils ein passendes Modell zum genutzten Digitizer ausgewählt werden kann.

Diese sieben Modelle bieten Verstärkungen zwischen 20 dB und 60 dB, Bandbreiten zwischen 10 MHz und 2 GHz sowie Eingangsterminierungen von 50 Ω und 1 MΩ. Die meisten Modelle haben zusätzlich eine DC Koppelung und eine manuell einstellbaren Offsetjustierung.

Um die Auflösung eines Digitizers auszunutzen und die Genauigkeit zu maximieren ist es wichtig, dass das eingespeiste Signal so viel des Eingangsbereichs des ADC selbst abdeckt wie möglich. Die Digitizer von Spectrum sind bereits mit hoch konfigurierbaren Eingangsverstärkern mit verschiedenen Eingangsbereichen ausgestattet. Mit den neuen Vorverstärkern der SPA Serie werden diese noch erweitert.

Die 16 Bit Karte M2i.46xx verfügt zum Beispiel bereits über Eingangsbereiche zwischen 50 mV und 10 V (Full Scale Range = FSR). Mit der Nutzung eines Vorverstärkers SPA.1231 kann eine zusätzliche Verstärkung von 40 dB bzw. 60 dB (x100 bzw. x1000) hinzugenommen werden. Der daraus resultierende Eingangsbereich geht dann bis in den Bereich von 50 μV FSR herunter. Der extrem kleine FSR zusammen mit der Auflösung von 16 Bit des Digitizers erlaubt die Erfassung von Signalvariationen bis in den Nano-Volt-Bereich.

Der schnellste Vorverstärker SPA.1841 mit einer Bandbreite von 2 GHz hingegen passt perfekt zu den ultra-schnellen Digitizern der M4i.22xx Serie, die mit 5 GS/s abtasten können und selber eine Bandbreite von 1.5 GHz haben. In der Kombination einer M4i.2230-x8 und eines Vorverstärkers SPA.1841 kann dann bis in den GHz Signalbereich mit einem Eingangsbereich von 2 mV aufgezeichnet werden. Dies resultiert in eine Schrittweite von 15 μV bei der gegebenen Auflösung des Digitizers von 8 Bit. Das obige Bild zeigt den Vergleich eines 2 mV 40 MHz Sinussignals einmal mit dem Digitizer alleine und einmal mit Digitizer + Vorverstärker.

Solche hohen Verstärkungsfaktoren gehen häufig mit einem hohen Rauschanteil einher, so dass ein sorgsames Design von Digitizern und Vorverstärkern nötig ist. Alle Vorverstärker der SPA Serie sind auf minimales Eingangsrauschen hin optimiert, einige Modelle erreichen dabei ein Eingangsrauschen von nicht mehr als 0.9 nV/√Hz. Anwendungen, die hier noch bessere Werte benötigen können auf bewährte Signalverarbeitungsfunktionen wie Filterung oder Mittlung zurückgreifen. Diese Funktionen können zufällig auftretendes Rauschen reduzieren und den Signal-Rausch-Abstand noch deutlich verbessern.

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