малошумящий усилитель для ленточного микрофона, разработка малошумящего предварительного усилителя для ленточного микр Опции

[PrAlexey]

Добрый день.
Есть мысль разработать малошумящий предварительный усилитель для ленточного микрофона.
1. источник сигнала - только активное сопротивление R=0.2-0.5 Ом.
2. выходной сигнал 0.1-0.3 мВ
3. напряжение питания - фантомное 48В
4. отношение сигнал шум максимально возможное
5. диапозон раб. частот 20 - 20кГц
6. коэффиент усиления 40 дБ (100 раз) - идеально, 30дБ - допустимо.
7. сопротивление нагрузки - от 2 кОм до ХХ
После рассмотрения многих схем остановился на варианте - двух каскадный усилитель, первая часть - параллельно включенные биполярные транзисторы с ОЭ, второй каскад ОУ.
Следующие недостатки - качественный ОУ довольно прожорлив, ток потребления всего устройства должен быть 4-6мА.
Как Вам вариант с парралельным вкл. транзисторов? Я таких усилителей ни когда не делал. Может быть есть другие варианты схемотехники малошумящих усилителей или конкретны примеры уже существующих, проверенных усилителей из бытовой аппаратуры? Насколько я понимаю, похожая ситуация складывается со звукоснимателями. Смотрел схемы некоторых из них, там все на ОУ и отдельных биполярах, отношение сигнал шум 60-80 дБ, правда не понятно, какой сигнал по величине.

[zzzzzzzz]

Ну, например, неплохой есть AD795, JFET. Токовый шум 600fA/sq(Hz). Шум напряжения, конечно, не такой хороший, 9нВ. Но это вопрос, действительно, схемы включения. Я то имел в виду обойтись без трансформатора. Все входы практически на "земле". Практика показывает, что, чаще всего, разнообразные наводки на цепи смещения и обратные связи играют даже большую роль, чем параметры самого ОУ. Значение правильной схемы включения возрастает для слабых сигналов.
Так, например, 10 Ом сопротивления по входам уже сами будут давать 4 нВ/sq(Hz) примерно.

Поковырял AD, хорошие у них ОУ (биполяры) появились, кстати.
AD8099, например. Меньше 1нВ/sq(Hz). Пишут, что освоили для этого новый супер-пупер КНС техпроцесс с "плавающими" в окисле транзисторами и контактами к базе поликремнием. Супер!
А и LT есть тоже неплохие LT1028.

Правда, доверия у меня лично к заявлениям AD в последнее время поубавилось, приходилось сталкиваться с явным надувательством - пишут одно, а на практике существенно хуже. Но здесь эту тему развивать не хочется.

А что если параллелить не транзисторы, а ОУ? Конечно, придется точно выставлять усиление каждого. Но здесь действительно можно приблизиться к корню из N оперюков по выходному шуму. 4 ОУ - шуму в 2 раза меньше...

[Stanislav]

Ну, например, неплохой есть AD795, JFET. Токовый шум 600fA/sq(Hz). Шум напряжения, конечно, не такой хороший, 9нВ.

Для автора темы такой шум входа катастрофичен. Это должно быть понятно.

...Но это вопрос, действительно, схемы включения. Я то имел в виду обойтись без трансформатора. Все входы практически на "земле".

Нет, это не так. Шумы напряжения ПТ - это не шумы его затвора, а шумы канала. Причём тепловые. Никакими силами внутри ОУ Вы их уменьшить не сможете.

...Практика показывает, что, чаще всего, разнообразные наводки на цепи смещения и обратные связи играют даже большую роль, чем параметры самого ОУ. Значение правильной схемы включения возрастает для слабых сигналов.
Так, например, 10 Ом сопротивления по входам уже сами будут давать 4 нВ/sq(Hz) примерно.

Не правильно. Шумы резистора - 0,13* sqrt( R ) [нВ/sqrt(Гц)].

...Поковырял AD, хорошие у них ОУ (биполяры) появились, кстати.
AD8099, например. Меньше 1нВ/sq(Hz). Пишут, что освоили для этого новый супер-пупер КНС техпроцесс с "плавающими" в окисле транзисторами и контактами к базе поликремнием. Супер!

Этот ОУ тоже никуда не годится. Он ВЧ-овый. Частота среза фликкер-шума очень высока. На ЗЧ шумит, как паровоз.

...А что если параллелить не транзисторы, а ОУ? Конечно, придется точно выставлять усиление каждого. Но здесь действительно можно приблизиться к корню из N оперюков по выходному шуму. 4 ОУ - шуму в 2 раза меньше...

А зачем?
Параллелить ничего вообще не надо было б, если были бы доступны малошумящие мощные БТ (может, есть и такие - не знаю).
Для данной задачи параллелить что-либо нет смысла вообще - ограничен ток потребления.

Автор, видимо, хотел добиться не снижения Rвх, а выигрыша по шумам.

Автор чего?
Автору темы нужно получить заданное отношение С/Ш (или напряжение шумов, приведённое ко входу). "Согласование сопротивлений" проповедует некто другой.

Что касается каскада с ОБ, он действительно должен обладать лучшей линейностью, что можно качественно подтвердить сравнением выходных ВАХ ОЭ и ОБ.

При чем здесь вообще линейность? Речь идёт о шумах. Кроме того, Вы глубоко заблуждаетесь насчёт линейности каскада с ОБ.
А про каскод Вам слышать доводилось? Я, между прочим, в теме о нём упомянул, но это не принципиально.

...Шум К548УН1 порядка 0.8nV/Hz^0.5

Готов присягнуть, что так. И что из того?

ИМХО , ЭДС шума будет как раз меньше , чем у одиночного каскада при том же токе , так как 2 транзистора у меня включены параллельно по сигналу и последовательно по питанию .

И что, к-т усиления у них в 2 раза больше, чем у одного?
Шумим, значить, вдвоём (или вчетвером? ). А усиливаем, как один. Круто!

[deemon]

И что, к-т усиления у них в 2 раза больше, чем у одного?
Шумим, значить, вдвоём (или вчетвером? ). А усиливаем, как один. Круто!

Вообще-то , в этой схеме транзисторы и шумят и усиливают , как два транзистора , включённых параллельно . Странно было бы , если бы было не так ! А преимущество - ток питания используется дважды , выше линейность и нет никаких сопротивлений в цепи эмиттеров , которые могли бы дополнительно шуметь - в обычном каскаде с ОБ нужно же подводить ток к эмиттеру ..... опять же , при хорошей балансировке можно обойтись без входного конденсатора .



Сообщение отредактировал deemon - Oct 25 2007, 15:48

[Stanislav]

Вообще-то , в этой схеме транзисторы и шумят и усиливают , как два транзистора , включённых параллельно . Странно было бы , если бы было не так !

А ведь не так!
При этом же питании даже один транзистор может давать вдвое большее усиление. А шуметь меньше.
Я не говорю уже про два.

...А преимущество - ток питания используется дважды , выше линейность и нет никаких сопротивлений в цепи эмиттеров , которые могли бы дополнительно шуметь - в обычном каскаде с ОБ нужно же подводить ток к эмиттеру ..... опять же , при хорошей балансировке можно обойтись без входного конденсатора .

деемон, нарисуйте источники шума в схеме, и поймёте свою ошибку.

Схему малошумящего усилителя нужно, как мне кажется, делать примерно так:



Вот её частотные характеристики: вверху - плотность шума, внизу - усиление.



Схема нарисована "от фонаря", и не оптимизирована. Транзисторы взяты первые попавшиеся. Однако, из результатов моделирования видно, что шумы её, приведённые ко входу, составляют около 0,5 нВ/sqrt(Гц), чего не снилось никакому ОУ.
К-т усиления такой схемы легко снизить до требуемого путём введения дополнительной ООС по переменному току.
Уменьшить ёмкость С5 можно путём введения последовательной ООС по напряжению, что приведёт к увеличению вх. сопротивления. Схема при этом несколько усложнится (на ещё один транзюк).
Шумы схемы также можно уменьшать и далее, путём выбора малошумящего входного транзистора и оптимизации режимов его работы.

[deemon]

А ведь не так!
При этом же питании даже один транзистор может давать вдвое большее усиление. А шуметь меньше.
Я не говорю уже про два.
деемон, нарисуйте источники шума в схеме, и поймёте свою ошибку.

Схему малошумящего усилителя нужно, как мне кажется, делать примерно так:



Вот её частотные характеристики: вверху - плотность шума, внизу - усиление.



Схема нарисована "от фонаря", и не оптимизирована. Транзисторы взяты первые попавшиеся. Однако, из результатов моделирования видно, что шумы её, приведённые ко входу, составляют около 0,5 нВ/sqrt(Гц), чего не снилось никакому ОУ.
К-т усиления такой схемы легко снизить до требуемого путём введения дополнительной ООС по переменному току.
Уменьшить ёмкость С5 также можно, путём введения последовательной ООС по напряжению. Схема при этом несколько усложнится (на ещё один транзюк).

Угу , только малый входной импеданс схемы достигается с помощью ООС , и в цепи ООС стоят два резистора , через которые течёт постоянный ток , и это - на ВХОДЕ . Плюс ток базы верхнего транзистора добавит шумов в цепь коллекторной нагрузки - у вас же каскод ..... И вы говорите , что шуметь она будет меньше моей , так ? Не верю . Соберите схему в реальности и измерьте параметры с реальным источником сигнала . Тогда и посмотрим .........
P.S. Потом , вы собираетесь уменьшать ёмкость С5 , добавляя резистор в цепь эмиттера первого транзистора , иначе говоря - уменьшать глубину общей ООС за счёт введения местной ООС , но при этом вы опять-таки добавите в эмиттерную цепь шум этого резистора . ВОпрос - зачем делать такую глубокую ОООС , чтобы потом её уменьшать ещё одним резистором ? ИМХО , это нонсенс . И кроме того - охватив транзистор в схеме с ОЭ цепью ООС мы не можем сделать его низкоомным девайсом , согласованным по шумам с низкоомным же источником сигнала . Тут вы ИМХО заблуждаетесь

Специально для любителей раритетов:
http://www.ortodoxism.ro/datasheets/BurrBrown/mXsrrqv.pdf

Да я вообще-то в курсе насчёт ОУ с ТОС Но я хотел бы сделать другое - чисто входной каскад с большим током , без остальной схемы ОУ . Для работы с низкоомными источниками сигнала и без ООС . В некоторых случаях может пригодиться ......

Сообщение отредактировал deemon - Oct 25 2007, 17:47

[Stanislav]

Угу , только малый входной импеданс схемы достигается с помощью ООС , и в цепи ООС стоят два резистора , через которые течёт постоянный ток , и это - на ВХОДЕ .

Ага!

...Плюс ток базы верхнего транзистора добавит шумов в цепь коллекторной нагрузки - у вас же каскод .....

Всё добавит: и резисторы, и ток базы. А результирующий шум всё равно такой, какой Вы видите.

...И вы говорите , что шуметь она будет меньше моей , так ? Не верю . Соберите схему в реальности и измерьте параметры с реальным источником сигнала . Тогда и посмотрим .........

У меня есть предложение получше. Возьмите спайс, те же транзюки, то же питание, и постройте модель Вашей схемы. А потом сравним.

...P.S. Потом , вы собираетесь уменьшать ёмкость С5 , добавляя резистор в цепь эмиттера первого транзистора , иначе говоря - уменьшать глубину общей ООС за счёт введения местной ООС , но при этом вы опять-таки добавите в эмиттерную цепь шум этого резистора . ВОпрос - зачем делать такую глубокую ОООС , чтобы потом её уменьшать ещё одним резистором ? ИМХО , это нонсенс . И кроме того - охватив транзистор в схеме с ОЭ цепью ООС мы не можем сделать его низкоомным девайсом , согласованным по шумам с низкоомной же нагрузкой . Тут вы ИМХО заблуждаетесь

Знаете, вместо того, чтобы строить не соответствующие действительности предположения, занялись бы лучше полезным делом (см. выше). А я попытаюсь выложить более продвинутый вариант схемы, как только смогу.

Без графиков ВАХ в устном жанре объяснить, действительно, трудно. Но постараюсь порыться и при случае эпюры сюда забросить. Речь не о высоком выходном R. Каскаду с ОБ не нужно ожидать открытия транзистора напряжением, прикладываемому к переходу БЭ как в схеме с ОЭ.

Ещё терминологию не мешает подучить. Иначе Ваши старания не будут оценены по достоинству.

[deemon]

Ага!

Всё добавит: и резисторы, и ток базы. А результирующий шум всё равно такой, какой Вы видите.
У меня есть предложение получше. Возьмите спайс, те же транзюки, то же питание, и постройте модель Вашей схемы. А потом сравним.
Знаете, вместо того, чтобы строить не соответствующие действительности предположения, занялись бы лучше полезным делом (см. выше). А я попытаюсь выложить более продвинутый вариант схемы, как только смогу.

Знаете , я не занимаюсь "симуляцией" Судя по тому , что получилось у вас - она даёт результаты , не соответствующие реальности , да я и вообще это дело не люблю . Если я и буду испытывать свою схему - то в железе , с запараллеленными на входе транзисторами , и с РЕАЛЬНЫМ источником сигнала - ленточным микрофоном или ( как вариант ) с головкой с подвижной катушкой (МС) для винила - её параметры похожи на ленточник , только сопротивление катушки больше - единицы Ом . А в варианте I/U преобразователя она и сейчас у меня прекрасно работает , я через неё музыку слушаю

Усиливает только один из входной пары транзистор, другой будет закрыт.

Это в классе В так будет , а у меня класс А с хорошим током покоя ...... так что усиливают одновременно оба транзистора , и включены они строго параллельно по переменному току !

[Stanislav]

Знаете , я не занимаюсь "симуляцией" Судя по тому , что получилось у вас - она даёт результаты , не соответствующие реальности , да я и вообще это дело не люблю .

Честно говоря, и я не пользовал ранее моделятор для НЧ схем - только неделю назад к спайсу начал приобщаться.
Мне тоже иногда кажется, что он врёт, но ничего лучшего не имеем: спайс-модели для электронных компонентов поставляет сам изготовитель. В справочниках же и даташитах данных для нормального расчёта режимов работы приборов в большинстве случаев не хватает.
Конечно, всё надо проверять в натуре - тут разговора нет. Но хоть сравнительный анализ можно попробовать сделать.

...Если я и буду испытывать свою схему - то в железе , с запараллеленными на входе транзисторами , и с РЕАЛЬНЫМ источником сигнала - ленточным микрофоном или ( как вариант ) с головкой с подвижной катушкой (МС) для винила - её параметры похожи на ленточник , только сопротивление катушки больше - единицы Ом . А в варианте I/U преобразователя она и сейчас у меня прекрасно работает , я через неё музыку слушаю

Для варианта источника с сопротивлением в несколько ом ОБ и вовсе не подходит - будет ослаблять сигнал своим низким сопротивлением. Так шта...

Вот несколько доработанный вариант первоначальной схемы.



Усиление - около 300; широкополосный шум, если верить моделятору, около 0,4 нВ/sqrt(Гц). Ток потребления - чуть более 5 мА.

ЗЫ. Кстати, на имеющейся у меня модели хороших транзисторов SSM2210 шум получается несколько больше.
ЗЗЫ. Схему с гораздо бОльшим входным импедансом и примерно такими же шумами выложу чуть позже.

[Myron]

Честно говоря, и я не пользовал ранее моделятор для НЧ схем - только неделю назад к спайсу начал приобщаться.
Мне тоже иногда кажется, что он врёт, но ничего лучшего не имеем: спайс-модели для электронных компонентов поставляет сам изготовитель. В справочниках же и даташитах данных для нормального расчёта режимов работы приборов в большинстве случаев не хватает.
Конечно, всё надо проверять в натуре - тут разговора нет. Но хоть сравнительный анализ можно попробовать сделать.
...

Станислав, не вступаю с вами в полемику, но использую спайс с 1985, еще с ДОС версии 4.03 (сейчас 15.7) и меня настораживает, когда получаю результаты моделирования отличные от натурального прототипа (конечно имею в виду диапазон до 50-100 Мгц). Было бы интересно посмотреть на любые подозрения на спайс во вранье - не для уличения кого-то в ошибках - обязуюсь в полемику не вступать, если не спросят.
Мне думается, что, при использовании адекватных моделей - отдельная песня - расхождения зависят от плохо или слабо формализуемых вещей. Приведу пару "классических" примеров.

1. Мой друг промоделировал весьма средний по современным воззрениям усилитель мощности и получил сногсшибательные результаты по гармоникам. Прототип показал весьма средние результаты. Дальнейший анализ показал, что при моделировании не учитывался разброс транзисторов, тепловые градиенты (статические и динамические), ОС и ПОС связи в реальном прототипе из-за монтажа, и т.п. и т.д... из области больше практической и производственной электроники.

2. В соответствии с заданием я собрал 6 компараторов для датчиков с регулируемыми порогами и шириной окна. Все должно было потреблять не более 30 мка при работе с сигналами до 4-5 кгц, амплитудой до 1.5 В и разрешением по порогам 0.25%. Для делителей окон я применил 10 Мом резисторы. Собранные образцы показали соответствие заданию. Мой начальник, имеющий зуб на меня, решил упростить схему и вместо отдельных делителей для окон предложил использовать общие делители. Спайс показал OK. Собранный прототип работал плохо на высших частотах диапазона. Добавление паразитных (монтаж) конденсаторов в 3 пики в спайс схемы между опорами и сигналами привело к аналогичным результатам при моделировании.

Понятно, что оба примера довольно тривиальны, но показательны на мой взгляд, и "...Конечно, всё надо проверять в натуре - тут разговора нет. "

По поводу получения низких шумов наибольший вклад при прочих равных в усилителе с ОЭ дает rb транзистора (корень из rb). Поэтому работает параллельное включение транзисторов на входе с ОЭ (как корень из количества транзисторов), но на практике до 3-5 в параллель, а дальше выигрыш мизерный. Это одна из причин использования относительно больших транзисторов на входе биполярных твердотельных ОУ (одна но не единственная) - у больших по площади транзисторов меньше rb, но больше паразитные емкости.
Проверить действие в спайсе легко изменив rb в любой используемой модели транзистора.

[Stanislav]

Станислав, не вступаю с вами в полемику, но использую спайс с 1985, еще с ДОС версии 4.03 (сейчас 15.7) и меня настораживает, когда получаю результаты моделирования отличные от натурального прототипа (конечно имею в виду диапазон до 50-100 Мгц). Было бы интересно посмотреть на любые подозрения на спайс во вранье - не для уличения кого-то в ошибках - обязуюсь в полемику не вступать, если не спросят.
Мне думается, что, при использовании адекватных моделей - отдельная песня - расхождения зависят от плохо или слабо формализуемых вещей.

С последним согласен. Свои же подозрения я обнародовать пока не хочу - нет опыта работы со спайсом и результатов натурных сравнений.

Независимо от этих вещей, хотелось бы всё-таки сравнить схемы: мою и deemon-а, хотя бы на моделяторе. Свою схему я выложил; оппонент - нет. То, что им нарисовано, схемой не является.
По нормально нарисованному чертежу, с указанием всех номиналов и типов элементов, составить модель будет несложно.

...По поводу получения низких шумов наибольший вклад при прочих равных в усилителе с ОЭ дает rb транзистора (корень из rb). Поэтому работает параллельное включение транзисторов на входе с ОЭ (как корень из количества транзисторов), но на практике до 3-5 в параллель, а дальше выигрыш мизерный. Это одна из причин использования относительно больших транзисторов на входе биполярных твердотельных ОУ (одна но не единственная) - у больших по площади транзисторов меньше rb, но больше паразитные емкости.
Проверить действие в спайсе легко изменив rb в любой используемой модели транзистора.

Это всё мне известно. Параллельное включение транзисторов уменьшает тепловой шум омического сопротивления кристалла, не оказывая влияния на дробовой шум эмиттерного p-n перехода, который в приведённой выше схеме является доминирующим. Поэтому, эффективное напряжение шума при параллельном включении двух транзисторов составило только 0,82 относительно одиночного транзистора (а не 0,71). Дальнейшее увеличение их количества особого смысла, думается, иметь не будет - рулит дробовой шум, который может быть уменьшен только путём увеличения тока через каскад.
Надо сказать, есть маломощные транзюки с малым объёмным сопротивлением базы - например, MAT02 от AD. Надо попробовать...

ЗЫ. А у Вас (или кого-нибудь ещё) нет ли спайс моделей, например, КТ3102Е и других малошумящих транзисторов? Мне что-то с ходу найти не удалось...

[deemon]

Независимо от этих вещей, хотелось бы всё-таки сравнить схемы: мою и deemon-а, хотя бы на моделяторе. Свою схему я выложил; оппонент - нет. То, что им нарисовано, схемой не является.
По нормально нарисованному чертежу, с указанием всех номиналов и типов элементов, составить модель будет несложно.

А что же это , как не схема ? Иероглиф , что ли , китайский ? Если номиналы интересны , то это не вопрос . В том варианте , что у меня сейчас собран - транзисторы BC550 / BC560 , резисторы в коллекторах транзисторов - 2,2 ком , резисторы в цепях смещения - 4,7 ком , электролиты - 220 мкф на 16 вольт . Такие же электролиты стоят и паралельно транзисторам смещения ( с баз входных на землю ) - для устранения шума в цепях смещения . Питание +-15 вольт .