LTC1152 - страное шумовое поведение Опции

[Igor_S]

Зравствуйте,
Может, кто сталкивался с такой проблемой - использую LTC1152 - chopper stabilized rail to rail opamp. Использую его в генераторе тока - с выхода беру сигнал на базу транзистора (PXT2222), коллектор транзистора на питании, в эмиттере нагрузка (50 Ом), с нее сигнал на инвертирующий вход операционника. На неинвертирующий вход - 2.5В от источника опорного напряжения. Если я, в обход операционика, подаю 2.5В прямо на базу транзистора - на нагрузке 2В с минимальными шумами - порядка 10 nV/sqrt(Hz) - предел моего анализатора спектра. Если я использую операционник, как указано выше - на частотах 0-200 КГц шумы завышены (1uV/sqrt(Hz), монотонно убывают и выше 200 Кгц приближаются к значениям, совпадаюшими со SPICE симуляцией (40 nV/sqrt(Hz).
В чем может быть дело? Чоппинг - на частоте порядка 2 кГц, этот "горбик" виден на анализаторе. Есть еще внутренний charge pump, но он работает на 4 МГц...

Если кто наблюдал подобное - подскажите, что может так накладываться на фликер-шум в LTC1152.

Спасибо

[DS]

Увеличение шума при таком включении - дело обычное. Для операционника режим работы с коэффициентом усиления +1 - самый неустойчивый, а тут Вы еще добавляете повторитель, который снижает выходное сопротивление и меняет сдвиг фаз. Мог и загенерить, если бы скорость нарастания у ОУ была чуть выше.
Вообще-то, ОУ с чоппингом предназначены для работы с постоянными сигналами, ну или сигналами, существенно меньшими по частоте, чем частота чоппера.

[Alexashka]

Если кто наблюдал подобное - подскажите, что может так накладываться на фликер-шум в LTC1152.

Спасибо

Если она стабилизирована прерыванием у нее по идее фликер-шум (1/f) должен отсутствовать.
на выходе операционника шумы меряли? завышены? (с транзистором в обратной связи и без).
Использую OPA378 (тоже zero-drift) пока доволен ей, все как обещано в даташите.

[Igor_S]

Спасибо ответившим,
Я не уточнил, есть еще 2 емкости - компенсационная и локальная обратная связь (с выхода на инв. вход). Так вот, влияет компенсационная емкость - если ее убрать, становится гораздо лучше в плане шумов - почти как в даташите. Как-то это совсем не вяжется с симуляцией, хотя по идее модель должна правильно учитывать влияние компенсации на шум... Никакого обьяснения ни в модели, ни в даташите я не нашел.
Как то я не соображу - это вообще правильно, что дополнительно введенный полюс поднимет шум на низких частотах?

Спасибо еше раз.

[DS]

Да, правильно.

[Igor_S]

DS, а можно спросить почему? Но вот интересно, SPICE говорит обратное - при увеличении комп. емкости (с пФ до 4.7 нФ) - шум на низких частотах (до 1 кГц) не меняется, а на частотах > 1 кГц - падает... Мне это кажется более логичным - частотка режется, шум на высоких частотах падает. А почему в железе подьем шума на низких?

[DS]

DS, а можно спросить почему? Но вот интересно, SPICE говорит обратное - при увеличении комп. емкости (с пФ до 4.7 нФ) - шум на низких частотах (до 1 кГц) не меняется, а на частотах > 1 кГц - падает... Мне это кажется более логичным - частотка режется, шум на высоких частотах падает. А почему в железе подьем шума на низких?

SPICE не пишет уранения и не решает их аналитически. Там забита некоторая упрощенная модель расчетов. Когда Вы на выход подключаете повторитель, Вы существенным образом изменяете режим работы ОУ, а моделятор этого не видит в силу того, что он не обладает интеллектом.

[Igor_S]

SPICE не пишет уранения и не решает их аналитически. Там забита некоторая упрощенная модель расчетов. Когда Вы на выход подключаете повторитель, Вы существенным образом изменяете режим работы ОУ, а моделятор этого не видит в силу того, что он не обладает интеллектом.

:-))) Про моделятор я понимаю, я спрашивал про доп. полюс - почему Вы думаете, он поднимает шум?

[DS]

Возникает коэффициент усиления по шуму больше 1, из-за неадекватности работы обратной связи с учетом накопленных сдвигов фаз. Дело обычное, но точные причины в каждом случае разные и для их нахождения требуются обычно тщательные измерения и размышления.

[Alexashka]

2 Igor_S: Хоршо бы схемку глянуть, так оно интереснее

[Igor_S]

2 Igor_S: Хоршо бы схемку глянуть, так оно интереснее

Aleksashka,
схема - самая обычная, буквально как написано словами в первом посте. На всякиж случай, попробую приложить картинку - но никогда этого не делал на форуме, получится или нет - не знаю...
В живой схеме, есть еще диодная сборка BAS40-04-7-F, защищающая базу транзистора- она представлена двумя емкостями С5 и С6

Спасибо

Эскизы прикрепленных изображений

 

[Alexashka]

схема - самая обычная,

Да, странно, по симуляции выходит что с увеличением умкости полоса пропускания сужается, соотв. и шумы снижаются. Сомнение вызывает только то, что ОУ через емкость нагружен на выходную нагрузку 50 Ом. Надобы резюк поставить в разрыв ОС. хотябы килоом.

[Igor_S]

Надобы резюк поставить в разрыв ОС. хотябы килоом.

На самом деле, в коллектор транзистора включен лазерный диод, и ОС замыкается по оптической мощности, а не по току - т.е. сигнал берется не с измерительного резистора (он тоже есть), а с мониторного фотодиода лазера.
Вообще, модель не правильно учитывает, даже без компенсационной емкости, шумы на низких (до 10 кГц примерно) частотах - они сильно занижены ( 40нВ вместо 125) по сравнению с приведенными на графике в даташите. На железе они с даташитом совпадают, но есть "горб" с максимумом аж 1 мкВ/sqrt(гц), приходящемся на 10 кГц, амплитуда и положение которого зависит от компенсационной емкости. Симуляция ничего такого не показывает...

Спросил в ихнем суппорте, пока молчат...

[DS]

Пробема в этом случае надуманная. Я на обычном ОУ и обычном транзисторе спокойно получаю шумы, много меньшие ширины полосы лазерного диода.
Флуктуации мощности полупроводникового лазера несопоставимы с шумами в питающем токе. Здесь речь может идти только о том, чтобы из-за флуктуации тока не уширялась спектральная характеристика лазера. Если это достигнуто - дальше с шумами с помощью стабилизации тока бороться бесполезно.
Внутренний мониторный диод в качестве источника обратной связи - только ухудшает параметры системы из-за интерференции. На нем можно строить петлю стабилизации только для использования лазера в связных целях.

Вы бы поподробнее обрисовали, что Вы хотите получить - можно было бы точнее ответить.

[Alexashka]

На самом деле, в коллектор транзистора включен лазерный диод, и ОС замыкается по оптической мощности, а не по току - т.е. сигнал берется не с измерительного резистора (он тоже есть), а с мониторного фотодиода лазера.
Вообще, модель не правильно учитывает, даже без компенсационной емкости, шумы на низких (до 10 кГц примерно) частотах - они сильно занижены ( 40нВ вместо 125) по сравнению с приведенными на графике в даташите. На железе они с даташитом совпадают, но есть "горб" с максимумом аж 1 мкВ/sqrt(гц), приходящемся на 10 кГц, амплитуда и положение которого зависит от компенсационной емкости. Симуляция ничего такого не показывает...

Спросил в ихнем суппорте, пока молчат...

10кГц это точно не фликкер-шумы видимо шумовое усиление на этих частотах подскакивает, но если еще есть оптическая ОС, то все сложнее. По симуляции- проверьте, включите источник сигнала в разрыв инвертируещего входа ОУ (потом для чистоты эксперимента в разрыв неинвертируещего). Посмотрите какая получается АЧХ для этих случаев. Конечно если модель не адекватная, то ничего возможно не увидите...но всетаки

[Igor_S]

DS,

с шумами с помощью стабилизации тока бороться бесполезно.

И в мыслях не было! Частотка задумана порядка 3кГц только... Но я всегда представлял, что шумы питающего тока напрямую модулируют свет, и принимаются приемником вдобавок к его (приемника) шумам. Другое дело,

Флуктуации мощности полупроводникового лазера несопоставимы с шумами в питающем токе.

Я не работал до этого с лазерами, не знаю их теорию глубоко - т.е Вы хотите сказать, что флуктуации мощности намного больше? Посоветуйте, пожалужста, что можно на тему этих флуктуаций посмотреть? Если у Вас есть в электронном виде, буду очень благодарен.

Вы бы поподробнее обрисовали, что Вы хотите получить - можно было бы точнее ответить.

Это определение плотности чернил, свечу на просвет лазером DL-7140 от Sanyo, 70 mW, 90 mA. В даташите, конечно, ни слова ни о каких флуктуациях. Лазер модулируется синусом 1 кГц, на приемной стороне - lock-in. Полоса системы порядка сотен герц, да плюс при преобразовании в цифру - используется сигма-делта АЦП со встроенным цифровым фильтром, первый ноль на 50/60 Гц.

У меня нет конкретного требования к шумам, выраженного в цифре, как нет и цтрожного понимания механизма проникновения шумов, лежащих вне полосы lock-in - видимо, идет накапливание шумов, лежаших вблизи гармоник клока (1 кГц)

Спасибо за помощь, DS и Aleksashka!
Aleksashka, я попробую то что Вы предлагаете - но модель не адекватна явно... Целью симуляции было понять возникновение этого шумового горба, но как говорит уважаемый DS, флуктуации оптической мощности все равно намного больше. Просто хотелось понять.
Оптическая ОС, конечно, усложняет дело - но я специально сравнил в железе оптическую ОС и электрическую (по току), как нарисовано на схеме - в плане шумов, все то же самое.

Спасибо

[DS]

Мой совет - возьмите ОУ пошустрее и попроще и забудьте про его шумы. С3 надо будет убрать, R79 (которое в базе) уменьшить до десятков ом. У Вас порог чувствительности, скорее всего, определяется оптической системой, да и частота модуляции маловата. Если есть возможность легко поменять - поставьте 10 КГц или выше.
Разбираться с амплитудными флуктуациям лазера - это целая отдельная наука, ее ковырять имеет смысл только если Вы с лазерами плотно собираетесь работать. Там сразу начинают использоваться специальные термины и непонятные слова - для ознакомления не годится. Простыми словами, в полупроводниковых лазерах есть дополнительный шум, обусловленный локальными флуктуациями тока в материале, что приводит к локальными изменениям характеристик резонатора и возникновению сильных (по сравнению с шумом спонтанного излучения) флуктуаций.
Проблему обрисуйте, у Вас чувствительности не хватает, или Вы просто красоту на схему наводите ?

"Шумовой горб", скорее всего, возникает из-за того, что на каких-то частотах есть сдвиг фазы от + входа усилителя через обратную связь на - вход чуть больше 90 град. При этом может возникнуть больший 1 коэффициент усиления шума, "приложенного к + входу.

[Igor_S]

Разбираться с амплитудными флуктуациям лазера - это целая отдельная наука

Но колличественно - это как-то характеризуется? Как этот флуктуационый шум сопоставить с шумом ОУ? На каких частотах его максимум, или он равномерный?

Проблем особенных нет, просто озадачен был некорректной моделью ОУ. Я понимаю механизм, но такие вещи обычно видны в спайсе (если модель правильная). Ведь фазовая характеристика ОС, с учетом внутренней структуры ОУ, коэффициент усиления для шума - это обычно и есть цели симуляции...

А чувствительность - ее всегда не хватает, как денег.

[DS]

Но колличественно - это как-то характеризуется? Как этот флуктуационый шум сопоставить с шумом ОУ? На каких частотах его максимум, или он равномерный?

Проблем особенных нет, просто озадачен был некорректной моделью ОУ. Я понимаю механизм, но такие вещи обычно видны в спайсе (если модель правильная). Ведь фазовая характеристика ОС, с учетом внутренней структуры ОУ, коэффициент усиления для шума - это обычно и есть цели симуляции...

А чувствительность - ее всегда не хватает, как денег.

Так так же две компоненты - 1/f и равномерная. Мы проводили весьма высокоточные измерения с помощью перестраваемого резонатора Фабри-Перо со специальным узкополосным лазером с шириной линии излучения
порядка 600 КГц и еще в добавок одномодовым как в частотном, так и в пространственном смысле. В источнике тока использовался обычный ОУ с 10 нв/гц1/2. Один из выводов, что шума источника тока не видно - ширина пика такая, же, как и при питании от батареи через резистор. А в Вашем лазере ширина линии в паспорте даже не нормируется.

Усилитель несколько нестандартный, модель может оказываться неадекватной.

Можно и чувствительность обсудить, но обычно она определяется оптической схемой и методикой измерений.

[НЕХ]

может пригодится: Laser Noise Cancellers http://www.electrooptical.net/

[Alexashka]

Проблем особенных нет, просто озадачен был некорректной моделью ОУ. Я понимаю механизм, но такие вещи обычно видны в спайсе (если модель правильная). Ведь фазовая характеристика ОС, с учетом внутренней структуры ОУ, коэффициент усиления для шума - это обычно и есть цели симуляции...

В некорректности некоторых моделей (в плане шумовых параметров) я уже убеждался неоднократно. И вообще операционник этот по шумам далеко не идеал. Для Ваших целей лучше подойдет чтото порядка единиц нВ/sqrt(Гц), без всяких цифровых фильтров и DC/DC преобразователей внутри. Чтонить типа AD797. ИМХО

[DS]

В некорректности некоторых моделей (в плане шумовых параметров) я уже убеждался неоднократно. И вообще операционник этот по шумам далеко не идеал. Для Ваших целей лучше подойдет чтото порядка единиц нВ/sqrt(Гц), без всяких цифровых фильтров и DC/DC преобразователей внутри. Чтонить типа AD797. ИМХО

Этот засвистит с транзистором на выходе. Нужем на порядок менее скоростной.

[Alexashka]

Этот засвистит с транзистором на выходе. Нужем на порядок менее скоростной.

C локальной ООС может и не засвистит

[DS]

C локальной ООС может и не засвистит

С локальной генератор тока будет неправильно работать.

[Alexashka]

Вот пример, даже с достаточно медленным ОУ получается такая шняга (см рисунок 1, график onoise- плотность шумов на выходе out). Причина- АЧХ имеет хороший такой выброс -см. рисунок 2.
Скорей всего и генереж будет на этой частоте. Эффект полностью устраняется введением резистора 330 Ом последовательно с ОС (см. рисунок 3).

Эскизы прикрепленных изображений

 

[DS]

Черт, как говорится слона то я и не приметил. Кондер C3 подключен прямо к эмиттеру транзистора. Конечно, такая схема будет чудить. Резистор обязательно нужен. Глаз уже замылился, раз есть конденсатор - перед ним должен быть и резистор .
Но испольсовать такую схему, предназначенную для работы выхода на емкостную нагрузку, в генераторе тока - посадить его точность.

[Igor_S]

Я тут провел несколько экспериментов. Дело в том, что у меня есть также AD8676 -с шумом 2.7 нВ/ (гц)^1/2 на 1 кГц. На первом графике - измеренный шум на выходе драйвера. Видно, что AD8676 - наименее шумный.
Далее, интересно было - насколько шум драйвера виден на выходе I2V - трансимпедансного усилителя на приемном конце... На втором графике - обший шум на выходе приемного усилителя, с разными драйверами. Синий график - LTC1152, розовый - AD8676. Удивительно, но на приемном конце я вижу пик, вызванный работой чоппера! Если интегрировать в Экселе, в случае AD8676 шум 1.25 мВ, в случае LTC1152 - 4.5 мВ. Как видно на графике ниже, эта разница обусловлена работой чоппера.

Прикрепленные файлы

 send1.bmp ( 3.27 мегабайт ) Кол-во скачиваний: 13
 send2.bmp ( 2.69 мегабайт ) Кол-во скачиваний: 11

 

[DS]

Добавьте резистор, как заметил Alexashka. У Вас сейчас через конденсатор соединены два выхода, тут уж что угодно может быть. Я просто проглядел с самого начала. У Вас, в частности, шумы с выхода ОУ усиливаются транзистором по схеме с ОБ . Так что флуктуации тока могут быть и достаточно большими.

[Igor_S]

Добавьте резистор, как заметил Alexashka.

Нет, на плате инвертирующй вход ОУ не подключен к эмиттеру транзистора, он подключен к мониторному фотодиоду лазера.

[DS]

Нет, на плате инвертирующй вход ОУ не подключен к эмиттеру транзистора, он подключен к мониторному фотодиоду лазера.

Попробуйте измерить без мониторного диода, просто подав напряжение На вход генератора тока с батарейки, так сложно что-то сказать. Мониторный диод маленький, на нем сильнейшая интерференцилнная картина. Изменение тока лазера приводит к незначительному смещению частоты - картина ползет, амплитуда сигнала с диода меняется. Какие там могут получиться коэффициенты и частоная зависимость - фиг угадаешь.
Для точных измерений надо пропускать свет от лазера через нейтральный фильтр и собирать весь пучок на диод с большой площадкой.

Для стабилизации лазера не используют только оптическую связь. Используется генератор тока, который стабилизирует ток лазера, который может управляться отдельной петлей обратной связи по интенсивности со своей частотной характеристикой.
В частности, потому что при такой схеме как у Вас, при аварии обратной можно нарваться на пережег лазера. FP лазеры не выдерживают даже кратковременного превышения предельной мощности - портится зеркало.

[Alexashka]

Я тут провел несколько экспериментов. Дело в том, что у меня есть также AD8676 -с шумом 2.7 нВ/ (гц)^1/2 на 1 кГц. На первом графике - измеренный шум на выходе драйвера. Видно, что AD8676 - наименее шумный.
Далее, интересно было - насколько шум драйвера виден на выходе I2V - трансимпедансного усилителя на приемном конце... На втором графике - обший шум на выходе приемного усилителя, с разными драйверами. Синий график - LTC1152, розовый - AD8676. Удивительно, но на приемном конце я вижу пик, вызванный работой чоппера! Если интегрировать в Экселе, в случае AD8676 шум 1.25 мВ, в случае LTC1152 - 4.5 мВ. Как видно на графике ниже, эта разница обусловлена работой чоппера.

А пичёк в шумах вблизи 10кГц наличиствует и с LTC и с AD8676? кстати на первом графике его почемуто нет, а на втором он есть на обоих драйверах. И еще, почемуто менее шумный по первому графику AD тут вдруг стал задирать шумы в некоторых местах. Чем Вы это объясните?
И еще, хорошо бы на схему добавить емкость фотоизмерительного диода (а может там еще какая емкость имеется? уж очень этот выброс вблизи 10кгц напоминает звон при работе на емкостную нагрузку).

[DS]

Да сначала надо разобраться с генератором тока без доп. связей. А то можно бесконечно много предположений делать. И схему бы неплохо полную привести, чтобы не обсуждать то, чего нет на самом деле.

[Igor_S]

А пичёк в шумах вблизи 10кГц наличиствует и с LTC и с AD8676? кстати на первом графике его почемуто нет, а на втором он есть на обоих драйверах. И еще, почемуто менее шумный по первому графику AD тут вдруг стал задирать шумы в некоторых местах. Чем Вы это объясните?

Второй файл - это не шум только драйвера, а шум всего тракта. Я хотел убедиться, что шум драйвера не определяет обший шум тракта - т.е. шум ТИ с фотодиодом, лазера и всего остального намного больше. Что, в принципе, и происходит - разница между выходным шумом с одним и другим драйвером - минимальна. Но причина - этой разницы - пик на частоте работы чоппера в LTC1152...

[Herz]

Так может, отказаться от ОУ с чоперром, да и дело с концом? Я использую в похожем драйвере OPA727, справляется.

[НЕХ]

А как быть, если ток побольше - 0,5 Ампера, например.
Транзистор греть жалко, импульсный источник тока на CMOS ИС имеет много шума 1/f.
А так хочется стабильности и отсутствия дрейфа !

[DS]

Я честно грею транзистор и не заморачиваюсь. Все равно TEC такого лазера будет жрать куда больше рассеиваемой на транзисторе мощности.

[НЕХ]

Вот почему так жарко этим летом !

[Herz]

Вот почему так жарко этим летом !

И не говорите! Все включили свои лазеры. Если шум критичен, не приходится скупится на тепло....