МШУ, Покритикуйте схему Опции

[Alexashka]

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".

[Alexashka]

Появилось время отписаться. Итак что сделано: немного изменил схему (см.приложенный рисунок, на схеме не показаны 2 аттенюатора по 40дб на входе, привел полностью схему на всякий случай). Т.е нагрузил транзисторный каскад такимже малошумящим источником тока (усиление транзисторного каскада стало несколько тысяч), усиление ОУ уменьшил (впринципе теперь достаточно даже повторителя). Целью этого было проверка снижения шумов при увеличении тока коллектора до 0,6мА..1мА (что с резистором в коллекторе было проблематично получить).
Как видно из схемы, ВЧ коррекция в каскаде BJT+ОУ вообще отсутствует, и нет никаких следов автоколебаний. А учитывая GBWP=5МГц у ОУ и малое усиление предполагается, что в полосе до 360Гц он не вносит сколь нибудь значимого фазового сдвига, и, соответственно, не может увеличивать собственные шумы усилителя.
Получено на выходе О9 1В п-п сигнал при входном сигнале 23мВ и шумы 10мВ эфф. Если сравнить с предыдущими результами (сигнал 1,37В п-п и шумы 14мВ эфф.) видим, что отношение С/Ш не изменилось.

Пробовал заменить входной транзистор на BC850B (со слов многих авторов весьма малошумящий), усиление упало % на 20 и шумы увеличились, в целом С/Ш увеличился примерно в 1,5раза.

Также проверил гипотезу о том, что мощные (ключевые) биполярники работают лучше чем малошощные-малошумящие Для этого поставил на входе MJE13007 (по совету автора статьи кот.тут приводилась выше).
Схему с активной нагрузкой разобрал чтобы не складывать шумы MJE13007 и 2SA970 в коллекторе. Т.е вернул схему как в посте #51, тока пришлось уменьшить номиналы R501, R497, R502 для обеспечения нормального смещения транзюка. И R481 =5,1кОм. Ток коллектора составил 0,35мА.
Получил шумы 9,8мв эфф. и сигнал 1,33В п-п. Т.е С/Ш уменьшился на треть.
В предположении что это было следствием изменившихся параметров усилителя отпаял MJE13007 и припаял обратно 2SC2240. Получил все теже шумы 14,5мВ эфф. и сигнал 1,32В п-п!
И какбы по сравнению с MJE13007 шумы теперь увеличились в 1,5 раза


Итак подытоживая...
1) Шумы каскада не зависят от режима работы по постоянному току -при изменении напруги на коллекторе или коллекторного тока в некоторых приделах. При значительном уменьшении тока коллектора (менее 100мкА) заметно некоторое увеличение шумов. Возможно схема с активной нагрузкой не дает преимущества так как шумы обоих транзисторов складываются?
2) Шумы мощного-ключевого транзистора меньше, чем у хорошего-малошумящего-маломощного. Примерно 1,5нВ/sqrt(Гц), но всеже не опускаются до заветной границы 1нВ, как у OP797
3) Получить приведенный шум близкий к тому, что получен у автора статьи http://www.beis.de/Elektronik/LNPreAmp/LNPreAmp.html не удалось, возможно причны в том, что у него Ic=4mA а не 0,4 как у меня. И еще я обратил внимание, цепочка С5-R10 в его схеме образует ФВЧ с частотой среза 160Гц. Т.е фликкер-шум он практически весь гасит благодаря 100% отрицательной ОС!

Как я понял методики измерения шумов могут быть разные:
Bipolar Junction Transistor 1/f Noise Simulation and Parameter Extraction Technique

Ага, заметили кстати, моя схема один в один совпадает с той, что он предложил как самую удачную
зы.про схему с запиткой в эмиттер у него не понял- что это за эффект "драмматического снижения шумов"?

Ну в целом я доволен результатом, схема малочувствительна к разбросу параметров элементов и температурным изменениям, и у нее неплохие показатели линейности. Один минус- входное сопротивление у нее около 50 Ом, а мне бы его надо увеличить до 1кОм. Пытался дополнительно ввести ОС в эмиттер, чтобы увеличить входное сопротивление, но температурный дрейф растет дико.

Эскизы прикрепленных изображений

 

[rudy_b]

Я, обычно, использую что-то вроде этой схемы. Это набросок, не конкретные детали, просто структура, хоть и работает. Попробуй по своей методе посчитать шумы поставив свои детали и режимы. Нижняя граница полосы пропускания - менее 3 Гц.

Эскизы прикрепленных изображений

 

[rloc]

Я, обычно, использую что-то вроде этой схемы.

Ой, не читали вы предыдущих постов. Такая схема уже многократно рассматривалась. Ее еще нужно, как минимум, привести к однополярному питанию и компенсировать уход по температуре.

[rudy_b]

Ой, не читали вы предыдущих постов. Такая схема уже многократно рассматривалась. Ее еще нужно, как минимум, привести к однополярному питанию и компенсировать уход по температуре.

Читал, но со многим не согласен, а спорить лениво, очень со многим разбираться прийдеться.
Эта схема - с однополярным питанием, и симуляшка дает на ней 0.7 нВ/Sqrt(Гц) в районе 10 Гц, правда, возможно, без фликкера, хотя в моделях транзистора и опера фликкер вроде есть, непонятно насколько честный. Температурный уход в ней отслеживается опером. А с сопротивлением источника 50 Ом, общий входной шум - порядка 1.1 нВ/Sqrt(Гц).

Просто интересно посмотреть, какой шум получит на ней Alexashka по своей методике.
По рачету, при сопротивлении источника 600 ом, общий шум на входе - 3.33 нВ/Sqrt(Гц), резистор дает 3.12 нВ/Sqrt(Гц), т.е. сама схема добавляет 1.2 нВ/Sqrt(Гц).

Кстати, у AD797 на 10 Гц шум 1.7 нВ/Sqrt(Гц), против 0.9 на 1 кГц.

[Alexashka]

симуляшка дает на ней 0.7 нВ/Sqrt(Гц) в районе 10 Гц, правда, возможно, без фликкера, хотя в моделях транзистора и опера фликкер вроде есть, непонятно насколько честный. Температурный уход в ней отслеживается опером. А с сопротивлением источника 50 Ом, общий входной шум - порядка 1.1 нВ/Sqrt(Гц).

Вы можете привести модель транзистора которая используется? Интересно сравнить с тем что у меня в микрокапе.
А темп.уход сдесь будет равен уходу транзистора (если dT=100*C, то это примерно 200мВ), умноженному на усиление по постоянке (10), итого около 2В. Это многовато для 3-вольтового питания да и для 5-вольтового тоже.
Плюс моя цель была обеспечить входной импеданс усилителя =1кОм (желательно стабильный в полосе частот и температур и с возможностью регулировки), дабы обеспечить необходимое демпфирование датчика, не теряя при этом генерируемую им энергию впустую. Производитель рекомендует просто нагружать датчик резистором 1кОм, но это выглядит кощунством когда мы выцарапываем нанавольты полезного сигнала на фоне шумов.

Просто интересно посмотреть, какой шум получит на ней Alexashka по своей методике.
По рачету, при сопротивлении источника 600 ом, общий шум на входе - 3.33 нВ/Sqrt(Гц), резистор дает 3.12 нВ/Sqrt(Гц), т.е. сама схема добавляет 1.2 нВ/Sqrt(Гц).

Кстати, у AD797 на 10 Гц шум 1.7 нВ/Sqrt(Гц), против 0.9 на 1 кГц.

Вроде все правильно говорите. Только щас у меня импеданс 50 Ом (выход генератора и децибельников), так проще работать и получается что основной вклад в шумы дает всетаки усилитель (50 Ом шумит как 0,9нВ/sqrt(Гц), а усилок у меня пока максимум что показал это 1,5нВ).
Хммм...щас пересчитал еще раз этот результат, я ведь не вычитал шумы источника! Выходит у меня коэф.шума стал (1,5нВ/0.9нВ)^2 =2,78, что эквивалентно спектральной плотности шума самого усилителя 1,2нВ/sqrt(Гц). Во! совсем близко к 1нВ!
Кстати если верить даташиту на транзистор bc107a у него NF=2 при Rgen=2кОм. А это дает чистых шумов самого усилителя 4,4нВ/sqrt(Гц). Какже симулятор мог выдать 0,7нВ?

[rudy_b]

Вы можете привести модель транзистора которая используется? Интересно сравнить с тем что у меня в микрокапе.

Вот текст, но это Orcad. KF и AF не заданы, т.е. используются значения по умолчанию. А поскольку по умолчанию KF=0, то, фликкер не учитывается. Я просто вижу его отсутствие по частотной характеристике. Сам не понял, почему думал, что фликкер транзистора учитывается, наверно не на то посмотрел. Вот в опере он точно есть.
.model BC107A NPN(Is=7.049f Xti=3 Eg=1.11 Vaf=116.3 Bf=375.5 Ise=7.049f
+ Ne=1.281 Ikf=4.589 Nk=.5 Xtb=1.5 Br=2.611 Isc=121.7p Nc=1.865
+ Ikr=5.313 Rc=1.464 Cjc=5.38p Mjc=.329 Vjc=.6218 Fc=.5 Cje=11.5p
+ Mje=.2717 Vje=.5 Tr=10n Tf=451p Itf=6.194 Xtf=17.43 Vtf=10)
* PHILIPS pid=bc107a case=TO18
* 91-08-02 dsq

А темп.уход сдесь будет равен уходу транзистора (если dT=100*C, то это примерно 200мВ), умноженному на усиление по постоянке (10), итого около 2В. Это многовато для 3-вольтового питания да и для 5-вольтового тоже.

Это крайне легко лечится, резистор R5 меняется на 1 кОм, а промежуточное питание увеличивается с 3 до 5 В (чтобы сохранить около 2 В на транзисторе, если не нужно - можно оставить). Кстати, для полосы чуть больше 3 Гц достаточно конденсатора 4700.

Плюс моя цель была обеспечить входной импеданс усилителя =1кОм (желательно стабильный в полосе частот и температур и с возможностью регулировки), дабы обеспечить необходимое демпфирование датчика, не теряя при этом генерируемую им энергию впустую. Производитель рекомендует просто нагружать датчик резистором 1кОм, но это выглядит кощунством когда мы выцарапываем нанавольты полезного сигнала на фоне шумов.

Это уже сложнее. Правильно было бы убрать ОС и подогнать входное сопротивление базовым током, но тогда начнутся искажения. Зато получится минимально возможный шум. Тут хорошенько подумать нужно. В вашей схеме это тоже нормально не получится - разброс транзисторов и большое изменение коэффициента усиления по току в столь широком температурном диапазоне будут сильно менять входное сопротивление схемы.

Вроде все правильно говорите. Только щас у меня импеданс 50 Ом (выход генератора и децибельников), так проще работать

Это плохо, при этом не учитывается токовый шум, который на штатном датчике (600 ом, если правильно помню) заметно увеличит шум.

Кстати если верить даташиту на транзистор bc107a у него NF=2 при Rgen=2кОм. А это дает чистых шумов самого усилителя 4,4нВ/sqrt(Гц). Какже симулятор мог выдать 0,7нВ?

Это, как раз, вполне возможно, просто модель транзистора барахло, учитываются только шум сопротивлений и статистика. Даже в даташите Philips про шум сказано < 10 дб, что говорить о модели. Нормальные по шумам модели - редкость. В библиотеке Orcada только у пары транзисторов есть фликкер, да и то, похоже, с потолка, специально посмотрел.

Вы сравните свою модель с этой и выложите ваш вариант, если они различны, поглядим. Я не предлагаю использовать именно этот транзистор, как раз интересно посмотреть что получится на тех, которые вы испытывали. Эта схема - просто для примера, эмиттерная связь, обычно, дает минимальный шум. И, независимо от качества модели, на симуляшке удобно сравнивать шумы разных способов включения.