Добрый день, коллеги!
Необходимо изготовить лабораторный усилитель со следующими требованиями:
1. Усиление 0 - 80 дБ с шагом регулировки 20 дБ.
2. Полоса пропускания до 1 МГц.
3. Амплитуда входного сигнала до 10 мВ.
4. Уровень шумов не более 100 нВ по всей полосе.
5. Выход на рабочий режим не более 1 мин.
6. Очень желательно иметь регулируемое смещение.
7. Переключение между дифф и синфазным входом.

В связи с чем возникли вопросы:
1. Насколько реально изготовить усилитель с такими характеристиками?
2. Какие сроки с учётом, что аналоговую схемотехнику знаю скажем так на 3 балла из 10.
3. На каких компонентах делают такие вещи (только ОУ, только транзисторы, комбинированная схема - например диффкаскад на FET, дале ОУ).
4. Какие приборы нужны для контроля характеристик опытного образца (сейчас есть мультиметр HP34401, осциллограф 200 МГц, генераторы сигналов произвольной формы).
5. Если требования слишком высокие, то можно уменьшить: полосу (до 10 кГц), амплитуду шумов (до ... пока не знаю).
6. Может быть коллеги в теме порекомендуют книги именно по измерительным усилителям? Т.к. по УМЗЧ у меня книги есть.

Нереально.. Но можете попробовать: AD8338..

Погуглите "усилители измерительные купить", может что-то готовое подойдёт типа У7-5, У7-6.
УПТ разработать - задача очень непростая.
К тому же ТЗ не полное: 0,1 мкВ на каком сопротивлении?

Хорошо, а если осетра уменьшить? Например, шумы.
Усилителем предполагалось усиливать напряжения от 10 мкВ и подавать на вход осциллографа. Необходимо осциллографировать сигналы малых амплитуд.


Нет, купить не подходит.
УПТ - усилитель постоянного тока? Но нам нужен не постоянного, а переменного.
Выходное и входное сопротивление усилителя не нормировано. Можно взять что-нибудь из стандартного ряда 50... 600 Ом.

Решайте сами. Я дал вам ссылку на лучшее, что есть в природе. Если сможете сделать лучше, делайте!

Лучше уже не получится, а вот цена самодельного будет на порядок выше 100$ цены производителя...
Возможен вариант оптимизации по входным согласующим элементам схемы, если учесть неопределённость ТС с выбором входного сопротивления усилителя. Возможен даже 50 Ом токовый вход! Из чего следует, что начинать разработку схемы необходимо с анализа выходных характеристик источника сигнала - "...нужен не постоянного, а переменного...". В аналогичном случае проблемой была компоновка усилителя и его экранирование.

Вы не написали нижнюю границу, я и предположил, что DC. Тогда, конечно, проще. Хотя, 80 дБ - не осёл чихнул... Усилители как правило не возбуждаются если усиление не выше 60 дБ. Возможно, вам дополнительные меры придётся принимать.

Так и возьмите из стандартного ряда. Шумы, как Вы понимаете, зависят от сопротивления.
Определитесь сначала с задачами.

ЗЫ. При таком диком усилении за большим входным сопротивлением не гонитесь, чем меньше - тем лучше.


Какая хорошая штука. Плюсую!
Тем более, что и плата с разъёмами продаётся.

FYI.. Есть ещё хорошая штука: HMC960.

Если оба усилителя из HMC960 соединить последовательно, то по шумам даже лучше, чем AD8338, но нужно смотреть остальные параметры.

К тому же, она в два раза дороже..

Тракт усиления у этой "штуки" дифференциальный. ТС, возможно, незнаком со спецификой работы таких усилителей, которые свои "хорошие" характеристики выдают только для источников с парафазным выходным сигналом.

Коллеги, посоветуйте хорошую книгу по теме) Одна из интересных, это 3-я редакция Хоровица и Хилла. Там про конструирование прецизионное аппаратуры и про шумы отдельные хорошие главы. Более полные, чем во 2-й редакции. Но, наверно, есть и специальная литература. Мне попадается про аудио. Что же с измерительными?

Если умножить 4.5 nV/√Hz at 80 dB gain для AD8338 на корень из 1 MHz, то уже получим 4.5 µV. Не считая шума резисторов и прочих. И вряд ли реально можно получить лучше. Скорее, хуже на порядок. Шум, кроме всего остального, можно в LTspice посмотреть, тем более, модель на эту микросхему имеется.

у этих усилителей по DC ужас-ужас, не очень они предназначены для работы совсем от 0Гц.

какие-нибудь инструментальные усилители, (INA103 если входной ток не страшен) взять 2-3 штуки подряд и джамперами коэффициент переключать.

а вообще требования к усилителю с потолка взяты
100нВ в полосе 1МГц это 0.1 нВ/Гц^0.5. 50Ом резистор при комнатной температуре на порядок больше шумит.
10мВ * 80дБ = 100В.



analog dialogue, была какая-то подборка статей про усилители. может быть даже отдельной книгой выпущено.
аппноуты у линеара, который теперь тот же analog devices.

ТС сказал уже, что надо не от нуля.






Я так понял, что шумы приведённые ко входу.
А по выходу конечно не получится.

Ну как обычно) Какие требования получил, такие и озвучил. Усилителями никогда не занимался, но интерес есть. В целом, как работает усилитель (диффвход, каскад усиления напряжения, выходной каскад) понимаю. Обратная связь тоже в целом понятна (из университетского курса). Но на практике подобные вопросы не решал. И чтобы не изобретать велосипед, решил уточнить здесь)
В целом у меня полное непонимание по шумам, и вообще, конкретно какой усилитель физически возможен, а какой - нет. Ну например, я думал, что 80 дБ (просто усиления) получить не сложно. Оказывается, есть проблемы с ОС (как я понял из вышележащих сообщений).

Спасибо! Погляжу!


Отвлекли меня на работе в тот момент. Я имел в виду полосу 0 - 1 МГц.

Вот здесь сам не в курсе.

Кстати, весьма озадачен следующим. Раньше, если была задача сделать схему, искался подобный прибор у Agilent/HP, либо составная часть прибора. И как правило находился (мультиметры, электронные нагрузки, блоки питания и т.п.). А вот усилитель нашёл только один - старый древний HP465A. Ну совеременные тоже есть, только без сервис-мануалов, т.е. без схем и теории работы. Не связано ли это с реальной сложностью темы?

без разницы где,
100нВ в полосе 1МГц это 0.1нВ/Гц^0.5, при комнатной температуре столько не бывает.

Интересно, как же такие штуки работают. Ведь там далеко не 100 пВ.

Там полоса сильно меньше 1 МГц.
И вообще, почитайте про тепловые шумы... будет грустно.

Я про них сейчас и читаю (шумы Джонсона (Найквиста)). Ну или просто тепловые шумы.

Цифровая фильтрация. 20000 измерений в секунду превращаются в вывод на экран несколько раз в секунду (можно бы и хоть 20000, только конвейером), и и так невеликая полоса сужается до герц.

Вот например такой калькулятор

Не, ну эта уж савсэм для тех, кто формулы не умеет считать)

Я правильно понимаю, что при конструировании измерительного МШУ доминируют тепловые шумы?

Кривой какой-то калькулятор. При сопротивлении 150 Ом и полосе 8кГц выдаёт шум 0.139347мкВ. Многовато что-то.
Это что же предуселитель с шумами меньше 0.12 на таком входном и такой полосе получить невозможно? Сомнительно как-то.

всё правильно,
60 Ом == 1нВ/Гц^0.5 при комнатной температуре.
sqrt(150/60 * 8e3) = 140нВ.

предусилитель-то можно и лучше сделать, но толку-то если 150 Ом источника сами так шумят.

Всё правильно! Я по формуле посчитал)))

Дааа... с этой прицезионной техникой трудно. С наскоку не получится. Сейчас по шумам почитал, и сам понял, что требования к усилителю нереалистичные.

Да это вообще нереально сделать! Если хочется мерить от 1 мкВ с коэфф. усиления 100 дБ, полосу герц до 10 нужно ограничивать.

считайте плотность шумов приведённую ко входу, коэффициент усиления тут не причём.
сильно лучше пары нВ/Гц^0.5 усилитель сделать не получится без ухищрений.
в полосе 10Гц, 1нВ/Гц^0.5 даст 3нВ шума, rms.
а 1мкв шумов будет как раз в полосе 1 МГц.

Читая эту тему не смог найти в ГОСТах термина плотность шума приведённая ко входу и как её считать или мерить... Ткните откуда термин.

Измерить можно на выходе усилителя и уменьшить на усиление. Термин калька с иностранного.
У нас свой путь. Если интересует местная экзотика, поищите "шумовая температура".
Можно подать сигнал на вход, по увеличению выходной мощности на 3 дБ радуемся, что узнали подобрали сигнал равный мощности
шумов на входе.

У меня реально сделано следующее: Ку 100 дБ, полоса 200 Гц-10 кГц, шум в полосе до 8 кГц, приведенный ко входу 120 нВ. Входное сопротивление 200 Ом. Это почти предел.

120nV/sqrt(8kHz) = 1.34nV/rtHz

http://www.beis.de/Elektronik/LNPreAmp/LNPreAmp.html

а после достижения предела, можно ещё усилители начать параллелить
http://www.hoffmann-hochfrequenz.de/downloads/lono.pdf

Сосуд с жидким газом и все... Кстати, что за сигналы основателю темы надо усилить? Происхождение?

Лучшее? Шумы в 45 раз превышают требуемое значение. Хотя согласно Найквисту, тепловые шумы в полосе 1MHz в цепи, замкнутой резистором 50 Ohm, составят около 0,8 uV.


...азотом, -195 град Ц. Уровень шумов снизится в два раза относительно условий работы при комнатной температуре.

Это сигналы, полученные при прохождении тока 1 А через шунт 100 мкОм. Т.е. 100 мкВ. Сигнал подаётся на сигма-дельта АЦП. И иногда наблюдаюся странные результаты измерения (скачки, шумы). Мы надеялись, что имея такой усилитель, сможем проосциллографировать входной сигнал, и разобраться со схемой. Я понимаю, что можно осциллографировать самими АЦП. Но хочется сделать универсальное решение.

Универсальное решение всегда проигрывает узкоспециализированному: Low-Noise Instrumentation Amplifier with Nanovolt Sensitivity.

1 Ом и можно разбираться безо всяких там усилителей, сразу и до посинения, а разобравшись заменить на прежний.

Попробуйте подать не реальный сигнал, а эталонный, от эталонного лабораторного генератора, вроде Г3-118. Сразу многое прояснится ...

И менять режим работы источника тока, менять коэффициенты усиления АЦП и т.д. и т.п. Не равнозначная замена, я считаю.


Если бы он был((( Всё подобное "старьё" некоторые умные люди выбросили, оставив Rigol DG2021A, который на выход умудряется пропускать переменку 50 Гц((((((((((((((

Купите. Полезнейший прибор. Я себе купил. Порядка сотни у.е. Тем более, для предприятия это не деньги, и обойдется это на пару порядков дешевле, чем проектирование уникального усилителя. Покупал через Интернет, правда, не в России, а на Украине. Вот, вагон предложений:

https://www.olx.ua/uk/list/q-%D0%B3%D0%B5%D...B9-%D0%933-118/

А вот в России:

http://www.kiprip.ru/G3-118.html
http://pribortehsnab.ru/catalog/generator-...nal/g3-118.html
http://printsip.ru/radioizmeritelnye-pribo...uma/item/g3-118

Еще вариант - соберите простой генератор на ОУ, с тем же мостом Вина, можно вообще неперестраиваемый по частоте, запитайте от батарейки и будет вам счастье, если денег на приборы не выделяют ...

Это не замена, а этап отладки, потому что сейчас никакой схемы нет; ровно то же, чем намеревались заняться Вы (чудо-усилитель к осциллографу), но куда более реальное в смысле законов природы.

А ещё лучше — малость подумать и переделать такую схему, разводку и т.п.

Как АЦП называется, какая схема на его входе?


Согласен - автору лучше копать в эту сторону.


Вот объясните мне - почему у вас 8кГц и 200 Ом дают 0.12мкВ если калькулятор говорит что на входе только тепловой шум 0.160904 мкВ?

Меня просто тоже иногда просят разработать усилитель с шумами ниже 0.12мкВ, и приборы показывают что это возможно... т.е. практика даёт результат выше теории.


О! надо попробовать сравнить результаты таким способом.


Я также транзисторы параллелю PMP4201Y - заявлено noise figure 2,8-3,3 дБ при 2кОм для одного транзистора.


Редкостная гадость этот Г3-118. Врут они про Низкий коэффициент гармоник (от 0,0015%)., 0.3% у него - минимум.
Нормальный генератор - это DS360.

ну это входное сопротивление усилителя, а не выходное источника.
просто неивертирующий ОУ с высокоомным входом в МегаОмы не шумит же ими прямо на вход, а делит их (параллелит) на сопротивление источника.
т.е. усилитель с 1нВ/Гц^0.5 приведёнными ко входу вовсе не обязан иметь входное сопротивление 60Ом.

Не мерил, не знаю. С виду сигнал очень даже приличный. И, к счастью, далеко не для всех опытов так важен сверхнизкий коэффициент гармоник. А кстати, в комплекте с генератором идет спец. коробочка - фильтр. Насколько я помню, указанный вами Кг гарантируется только при его использовании.
А ваш генератор хорош, наверное, вот только слишком дорог, к сожалению ...

ADS1247

По схеме: IN+ подключена к верхней точке шунта (более положительной), IN- - к нижней (более отрицательной). Синфазное между землёй и IN- не более 600 мВ. ADC_IN заведены на пару входов АЦП, которые объединены в дифферинциальный. Да, IN+ и IN- подключены через BAV199 на землю и +3.3 В.

Длина проводов от этих фильтров до шунта - до 3 м. В витую пару не свиты. Предвидя вопросы - сразу скажу, свить не возможно. Это не позволяет объект измерения.


Схему бы я с удовольствием выложил, если бы это была моя собственность.

Неважно - неивертирующий усилитель или нет. Чёрная коробочка. С Ку=1000. На вход припаиваем эквивалент сопротивления генератора - 200 Ом.
На выходе меряем шум в полосе 0-8000Гц. Можно намерять меньше 120мкВ.
А калькулятор говорит, что только резистор на входе, после усиления даст шум 160.904мкВ.
Загадка.

Чем измеряли? чем-то предназначенным для измерения синусоиды? Тут надо RMS измерителями (которые TRUE) на такие частоты. Например на AD736 для звуковых частот.

1 Провода в экране?

2 Может записать каждый провод на независимый АЦП и вычесть (посмотреть симметричность) уже записанные сигналы?

3 Как-то мне не хватает связи между каналами. Конденсатор AIN0-AIN1 стоит?



GVT-427B (10Гц-1МГц) подключенный через полосовой фильтр и ещё один усилитель.

Посмотрел на спеки (одна страничка на https://www.gwinstek.com/en-US/products/det...T-427B_GVT-417B ) - ни про TRUE RMS ни про CREST FACTOR измеряемого сигнала не сказано. Будет давать правильные показания только на синусоиде.
Можте проверить, подать калиброванный меандр и сравнить с расчетным RMS. Для измерений шума не подходит (или очень приблизительно).

ещё раз, речь была про ВХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ УСИЛИТЕЛЯ.
и эти 200Ом на входе будут шуметь на 160нВ на входе, но только если никакой источник не подключен и входы усилителя висят в воздухе.
а если теперь на вход подключить закоротку, или источник с небольшим выходным сопротивлением то никуда эти 200Ом шуметь не будут.
так как будут запараллелены с выходным сопротивлением источника и поделятся соответственно.

Нет. И не будут. По условиям работы. Более того, каждый провод отдельно от другого. Т.е. они не свиты и не уложены вместе. В общем это провода с крокодилами и кельвиновскими контактами. Прибор измеряет сопротивление. Рядом с каждым измерительным проводом находится силовой, по которому течёт измерительный ток.

Вариант! Но было бы интересно разобраться с усилителем, хоть как-то себя развлечь, а заодно - подтянуть уровень в аналоговой схемотехнике.

Нет, дифференциальных конденсаторов нет. Но связь, по сути через сопротивление шунта (его измеряем) и нижним концом на землю (через образцовый шунт внутри прибора).