Назрела необходимость сделать МШУ с малым потреблением. Перебрав все известные ОУ и не удовлетворившись результатом решил попробовать на входе малошумящий биполярный транзистор.
Сейчас в железе собран каскад на одном транзисторе по схеме 1.

На схеме только первый каскад усиления, дальше идет остальная часть усилителя и фильтр НЧ, ограничивающий полосу пропускания в 350Гц.
Работает отлично, шумы 2,8нВ/sqrt(Гц) приведен.ко входу при токе коллектора 260мкА (практически это потребление всей схемы).
Для сравнения в схеме с OPA378 (20нВ/sqrt(Гц)) на выходе интегральный шум в 5 раз больше при соизмеримом токе потребления.
Скорей всего этот вариант схемы не пойдет -нелинейные искажения да и температурная стабильность будет проблемой. Сразу походу вопрос- можно ли получить тут КНИ меньше 0,1% если применить только локальную ОС (в эмиттере). Усиление транзистора нужно сохранить максимальным, чтобы не нахватать шумов по цепям питания и в последующих каскадах.

На второй схеме усилитель с ОУ в обратной связи.

В модели работает не хуже первого варианта, но емкость в 2200мк смущает. Хотелось бы от нее както избавиться, но обрезать НЧ нужно не выше 2Гц. Подскажите, какие еще схемотехнические решения тут можно применить?
ЗЫ. Референс на Х107 чтобы задавать уровень напряжения на коллекторе (и ток коллектора), Х108 призван генерировать "чистое" питание для первого каскада, поскольку шумы питания в данном варианте будут подавляться только в Ку транзистора раз, т.е цепь питания весьма критична к "чистоте".

А цифровой осциллограф не пойдет? Еще у нас должен был прийти актакомоский измеритель трактов- там я так понял ГКЧ и анализатор спектра в одном флаконе.

Хотя стоп! Есть жеш у нас 16битный АЦП от NI, запишу неск. минут реализацию, а потом можно спектр-разложение сделать

Тока вот методику бы найти как из формы спектра получить KF и AF

Достаточно найти две точки на наклонном участке спектральной плотности мощности, а методику измерений взять отсюда http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5989-9087EN.pdf . Кстати они для измерений используют прибор Agilent 35670, который по частотному диапазону сравним со звуковой картой, а по динамике даже хуже более дешевых профессиональных карт с динамическим диапазоном >100dB

Updated
Я даже понял, почему используют преобразователь I->V - потом легче будет переводить из В^2/Гц в А^2/Гц. Поэтому для простоты измерений можно использовать такую схему

Так не удобно, проще взять общий шум при нулевом сопротивлении источника (получим напряженческий) и общий шум при заданном сопротивлении источника (т.е. берем идеальный источник, а на его выход просто навешиваем отдельное нужное сопротивление). Разница (с учетом собственного шума резистора) даст вклад токового шума помноженного на сопротивление источника. Только не забывать о квадратичном суммировании шумов.

Т.е. измеряем напряженческий шум и шум с резистором 600 Ом. Из последнего квадратично вычитаем собственный шум резистора 600 Ом, получаем полный входной шум (напряженческий+токовый*600). Из результата квадратично вычитаем напряженческий и получаем напряжение токового шума. Если интересен собственно токовый шум - делим на 600 Ом. Это должно работать независимо от глюков считалки (Orcad, Микрокап).

Если считалка дает только выходной шум - нужно учесть изменение коэффициента усиления при добавке резистора, но, обычно, они дают шум приведенный ко входу (входному идеальному источнику напряжения) и это не нужно.


Нет. я увеличил емкость до самого не хочу, когда смотрел. Именно чтобы АЧХ не влияла. Просто это означает, что величина фликкер шума становится заметной на фоне собственного шума (белого) начиная с 10 Гц. Кажущееся начало зависит от тока коллектора, у меня 700 мкА.

Еще одна полезная статейка, жаль что их не переводят у нас.
С картой сразу отпадает- уже много раз убеждался что подключение компа добавляет огромное кол-во шумов на всех частотах. Вот АЦП кот. от NI гальванически развязанное, так что его вполне можно прикрутить. Агилент не понятнуть, а вот актакомовский измеритель АЧХ обещают в этом году подогнать, может с ним можно шумы мерять...
Про перевод в статье кот.Вы раньше давали хорошо написано:
Measurement circuit without common feedback
(Fig.2) is one of the simplest from widely used ones. Main
advantage of this MC configuration is that there are no
limitations in choice of signal source resistance RG and
load resistance RL. Output noise level in this MC is
dependant on parameters of DUT, on RG and RL values.
Therefore, DC bias adjustment and calibration of the
circuit must be provided for each measurement as any of
mentioned factors is changing. The analysis leads to
conclusion that this MC is not good for noise measurement
of large number of transistors in variety of bias conditions.

и еще:
Measurement circuit with current to voltage
converter-amplifier (Fig.3) is used for example in [6]. This
circuit configuration is good for current noise source
measurement because the output noise signal directly
represents current noise. Other transistor parameters have a
negligible impact on the value of output signal.


Странно почемуж у меня не так. Сделал тоже 700мкА ток. И вот что у меня рисует:


Как видно фликером на 10Гц-ах и не пахнет.
можель транзистора реально такая:
.MODEL NE85600 NPN ( IS=6E-16 BF=120 NF=0.978 VAF=10
+ IKF=0.08
+ ISE=32E-16 NE=1.93 BR=12 NR=0.991 VAR=3.9
+ IKR=0.17 ISC=0 NC=2 RE=0.38 RB=4.16
+ RBM=3.6 IRB=1.96E-4 RC=2 CJE=2.8E-12 VJE=1.3
+ MJE=0.5 CJC=1.1E-12 VJC=0.7 MJC=0.55 XCJC=0.3
+ CJS=0 VJS=0.75 MJS=0 FC=0.5 TF=15E-12
+ XTF=6 VTF=10 ITF=0.2 PTF=0 TR=1E-9
+ EG=1.11 XTB=0 XTI=3 KF=1.56E-18 AF=1.49)
*

А у меня - так. Верхний график - шум (600 Ом), нижний - АЧХ. AF и KF в модели те же.

А если изменить масштаб - то будет так.

А напряженческий (сопротивление источника равно нулю)- так

А это - то же шум, но в логарифмической шкале. Пришлость растянуть частотку чтобы лучше была видна прямая.

Т.е. сказать где начинается шум - трудно. Поэтому начало фликкера и нужно брать по линейной части в логарифмическом масштабе. Но, грубо, можно брать по 10% превышению белого шума.

==Вы схемку еще приложите для полной ясности. И всетаки спад АЧХ совпадает с точкой роста спектра шумов
на напряженческом графике они почти как зеркальное отражение.

Практически берут точку равенства белого шума и фликкер шума. Т.е ищем на графике подъем уровня на 3 дб

ЗЫ.Комп уже выключил (пишу с ноута), так что наверно до завтра (до сегодня)

Посмотрите на последний график. Но это не суть важно.
Схемка от последнего графика с растянутой АЧХ такая, только сопротивление источника 600 Ом, а не 0.1

Что касается качества встроенного звука, то могу сослаться на результаты тестирования звукового кодека Realtek ALC883 на плате ECS P45T-A. Как видно динамика >90дБ, чего хватит с большим запасом. Понятно, что потенциал компьютера может плавать (шуметь), но тогда сам измерительный стенд можно запитать от аккумулятора или от USB с последующей фильтрацией на усилителе, как вы ранее рисовали. Вариант с АЦП от NI по динамике и линейности в звуковом диапазоне проиграет любому сигма-дельта АЦП. А ПО для NI есть? С измерителем АЧХ шумы вообще не померить.

у 16битного АЦП который у меня есть порядка 95дб диаппазон, что тоже за глаза. Потом потенциал не плавает, а именно шумит, даже если запитать комп от DC/DC преобразователя. А если к усилку подключено больше одного прибора, то 50Гц начинает лезть в добавок- без гальваноразвязки никак. ВСетаки удобнее и лучше когда она сделана в АЦП
А ПО- есть запись в файл, а вычитка из файла и построение спектрограммы пишется на LAbview минут за 5-10.

Вот повторил практически один в один Вашу схему. Результат тоже, что и в моей был, т.е фликкер на 100мГц еще почти не заметен. На рисунке 2 графика- для 0,1 и 600 Ом.
Интересно, что можно получить тотже результат что и у Вас, если AF задать равным 0,715.

У меня KF=1.56e-18, AF=1.49. У вас рабочий ток 1.4 ма (5к в коллекторе), у меня 0.7 (10к) - отсюда и разница в шуме.

Ммм..забыл вернуть как было :_
Неа...от этого шум меняется тока на 0.06нВ. Вот графики для 5 и 10кОм.
Нижний график для 10к как раз, это изза того что усиление в каскаде увеличивается, а токовый шум снижается. Шум напряжения самого транзистора гораздо меньше теплового шума источника.

Вот тут, как раз, и можно поиграться током. Если поставить сопротивление источника 600 Ом (суммарный токовый и напряженческий шум) и заменить коллекторный резистор идеальным источником тока (чтобы не заморачиваться). Ну и резисторы немного подкрутить приходится, чтобы режим был нормальный. Получается, примерно, следующее:
Ток коллектора Шум (на 100 Гц)
0.1 мА - 3.54 нВ
1 мА - 3.39 нВ
10 мА - 4.61 нВ
При этом напряженческие шумы при росте тока снижаются, зато растут токовые. Поиграйтесь, тут есть оптимум.

Кстати в посте #46 я писал об этом

Итак, возможно комуто будет полезно, надеюсь
Продолжаем лабораторные занятия по теме "Малошумящий усилитель".
Сегодня мы попытаемся понять что же происходит с шумами в базе и коллеторе.
Транзистор у нас не идеальный, но как увидим, это не повлияло на результаты моделирования
Итак, сначала рассмотрим схему ОЭ, где источник сигнала (I2) в базе (I1 обеспечивает нужное смещение по постоянному току), а измеритель шумового тока (Rk) в коллекторе.
Е1 преобразует токовые шумы в напряженческие, что позволяет использовать стандартную методику расчета шумов по входу и выходу.
Итак смотрим первую картинку, расчеты на ней.
Имеем 3 графика для входного и выходного шума (inoise и onoise) построенных для 3х разных токов смещения базы: 1uA, 4uA и 119uA. Дальше в расчетах я пытался понять, как коррелирует выходной (входной) шум от тока коллектора (тока базы). Как оказалось, все очень хорошо согласуется с простой формулой для шума базового тока


А теперь схема с ОБ, источник сигнала в эмиттере, коллекторные токи воспроизвожу теперь исчточником постоянного тока I1, такиеже как в первой схеме.

Чтоже получается, - шум на выходе каскада определяется чисто базовым током и не усиливается как в схеме ОЭ! (сравни шум выхода в схеме ОБ и шум входа в схеме ОЭ)
Не об этом ли говорится в статье:


Теперь идея в следующем, при достаточно низком сопротивлении источника, включенном в эмиттер (по схеме ОБ) получить гораздо меньшие шумы, чем в схеме с ОЭ. При этом получить достаточный Ku (усиление по напряжению), достаточное, чтобы провести сигнал через всю остальную схему, не ухудшив при этом коэфф.шума усилителя.
Или другими словами: усилить сигнал датчика по напряжению, не усилив при этом базовых шумов транзистора!

Жду Ваших комментов