Почему малошумящий усилитель мало шумит
Перейти к содержимому

Почему малошумящий усилитель мало шумит

  • автор:

малошумящего усилителя- 7 советов, которые нужно знать

Захватывающий новый дизайн rf front-end высокопроизводительных радиочастотных (RF) приемопередатчиков обеспечивает лучшую из убедительных технологий. Вообще говоря, если вы планируете улучшить его только за счет увеличения ширины транзистора или напряжения питания, это создаст проблемы проектирования. Вам может понадобиться больший размер печатных плат, и будет больше энергопотребления. В этой статье мы представим советы по конструкции малошумящего усилителя (LNA) для ВЧ-приемников/трансиверов.

Мы поможем вам изготовить печатные платы LNA, которые дают максимальную производительность, работая при низком энергопотреблении.

малошумящего усилителя

Содержание

Глава 1 Конструкция схемы усилителя с низким уровнем шума с низким уровнем шума Глава 2 Рассчитайте коэффициент шума и получите метрики производительности
Глава 3 Использование малошумящего усилителя с низким уровнем шума Глава 4 Использование устройств поверхностного монтажа в печатной плате усилителя с низким уровнем шума
Глава 5 Выберите подходящий материал печатной платы для схемы усилителя с низким уровнем шума Глава 6 Проектирование печатной платы в соответствии с требованиями высокочастотных сигналов
Глава 7 Достижение жесткой схемы согласования импеданса усилителя с низким уровнем шума Глава 8 Резюме

Проектирование схемы усилителя с низким уровнем шума и низким уровнем шума

Было бы полезно, если бы вы придумали инновационные схемы усилителя с низким уровнем шума, чтобы уменьшить его мощность и потребление напряжения. Малошумящий усилитель усиливает мощность сигнала антенны, следя за тем, чтобы шум был меньше. Это обеспечило бы достаточную выгоду, чтобы преодолеть шум следующих этапов.

Как правило, схема LNA имеет блоки согласования входного и выходного импеданса с блоком усиления между ними. Вы должны убедиться, что проверили ограничения усиления вашего rf-интерфейса, а затем соответствующим образом минимизировали коэффициент шума. Например, может быть ограничение, что максимально достижимое усиление составляет 20 дБ при радиочастотной частоте 2,4 ГГц.

Мы бы порекомендовали вам спроектировать линейный усилитель шума с индукторами. Они являются реактивными, и, следовательно, они не будут создавать никакого шума в вашей печатной плате. Это факт, что резонанс LC всегда повышает шумовые характеристики и усиление LNA.

Вычисление коэффициента шума и показателей прироста производительности

Итак, мы только что сказали вам, чтобы сохранить коэффициент шума печатной платы низким. Но как вы можете убедиться, что он низкий? Вам нужно будет вывести формулу, а затем выполнить анализ. Как правило, вы получаете показатель шума и получаете показатели производительности, чтобы проверить активность вашей печатной платы LNA.

Обычно вы можете рассчитать коэффициент усиления любой схемы LNA, выведя формулу, которая включает импеданс нагрузки и эффективную транспроводимость транзисторов. Для показателя шума можно использовать следующую общую формулу для анализа:

Используйте многослойную печатную плату с малошумящего усилителя.

Важно отметить, что малошумящий усилитель PCB будет работать на радиочастоте. Поэтому, если вы будете проектировать 4-слойную компоновку печатной платы, она будет поддерживать постоянную плоскость земли. Это также позволит распределить радиочастотную развязку области питания постоянного тока между двумя основными слоями плоскости земли.

Компоновка печатной платы схемы усилителя с низким уровнем шума требует общей контрольной точки ВЧ. Это точка заземления РЧ для всех радиочастотных сигналов от входного или выходного порта. Добавив общую основу, вы убедитесь, что все точки находятся в одном потенциале.

В 4-слойной конструкции печатной платы можно установить одну плоскость питания, две плоскости земли и один слой трассировки цепи. Кроме того, было бы полезно, если бы вы адекватно спроектировали форму и ширину следов меди. Это уменьшит распределенную индуктивность, емкость и сопротивление в цепи усилителя с низким уровнем шума.

малошумящего усилителя

4-слойная печатная плата также позволит вам получить управляемый размер линии микрополоски. Линия микрополоски представляет собой высокопроводящий металлический бегунок на печатной плате ВЧ диапазона. Вы можете связаться с производителем печатной платы для расчета таких параметров, как диэлектрическая проницаемость, вес меди, данные о материале, толщина сердечника и стандартный стек слоев. Используя эту информацию, вы можете легко сопоставить линию микрополоски с требуемым значением импеданса. Наконец, было бы полезно, если бы вы разработали полные следы смещения, чтобы уменьшить сопротивление пути.

Использование устройств поверхностного монтажа в печатной плате усилителя с низким уровнем шума

Технология поверхностного монтажа — это способ, с помощью которого вы непосредственно монтируете электрические компоненты на печатную плату. Если вы используете устройства поверхностного монтажа, вы получите более короткие медные следы и меньшие размеры печатных плат усилителя шума. И в радиочастотной цепи это уменьшит паразитное сопротивление и емкость.

Кроме того, было бы полезно, если бы вы сохранили соединения между компонентами поверхностного монтажа и заземлением короткими. Он заключается в уменьшении импеданса. Вы также можете сделать это, спроектировав два или три параллельных прохода на плоскости земли.

Другим важным моментом является определение температурного диапазона тестирования вашей схемы усилителя с низким уровнем шума. Компоненты поверхностного монтажа должны работать в этом температурном диапазоне. Кроме того, вы можете использовать банановые разъемы для подключения напряжения смещения, заземления и питания. Для получения радиочастотного подключения вы можете использовать разъемы SMA в печатной плате усилителя с низким уровнем шума. Помимо небольших размеров, они предлагают широкий частотный диапазон и высокую надежность.

Малошумящего усилителя – выберите подходящий материал печатной платы для схемы усилителя с низким уровнем шума

Приемлемый материал печатной платы может помочь в разработке вашего усилителя с низким уровнем шума. Это смягчит уровень тепла на ограничениях усилителя, таких как коэффициент шума и усиление. В целом, выбор печатных плат может внести значительный вклад в максимальный уровень производительности вашей конструкции LNA.

Было бы полезно, если бы вы рассматривали различные свойства материала печатной платы в качестве кандидата на проектирование малошумящего усилителя. Эти параметры включают коэффициент рассеивания (Df), диэлектрическую проницаемость (DK или εr), теплопроводность, температурный коэффициент Dk и допуск на толщину подложки.

Например, вы должны строго регулировать Dk материала печатной платы по всему материалу, чтобы добиться жесткого согласования импеданса. Было бы полезно, если бы у вас часто было так, чтобы поддерживать низкие показатели шума усилителя. Кроме того, температурный коэффициент диэлектрической проницаемости (Tc Dk) также влияет на эти показатели шума и сети согласования импеданса.

малошумящего усилителя

Малошумящего усилителя – проектирование печатной платы в соответствии с требованиями высокочастотных сигналов

Всегда помните, что вы имеете дело с высокочастотными сигналами в вашей цепи небольшого усилителя шума. Печатная плата будет работать в радиочастотном диапазоне, поэтому вы должны спроектировать ее соответствующим образом. Как мы уже обсуждали, для уменьшения помех необходимо использовать многослойную плату. Шум четырехслойной плиты на 20 дБ меньше, чем у двухпанельной платы с тем же материалом. В то же время, однако, существует также опасение, что производство будет более сложным. Стоимость будет выше, и вам понадобятся экспертные знания для разработки макета печатной платы.

Радиочастотные сигналы в цепи усилителя с низким уровнем шума не должны развивать петлю во время проводки. Если вы не можете избежать этого, вы можете убедиться, что он как можно меньше. Также следует обратить внимание на перекрестные помехи, которые могут развиваться на близком расстоянии до параллельных сигнальных линий. Перекрестные помехи — это нежелательный шумовой сигнал среди радиочастотных сигналов из-за помех близлежащих электромагнитных полей.

Существуют различные методы, позволяющие избежать перекрестных помех. Можно попробовать соединить параллельные линии в один слой в перпендикулярном и разных слоях. Кроме того, вы должны использовать меньшее количество вибраций в конструкции усилителя с низким уровнем шума. Это увеличит скорость и уменьшит количество ошибок данных. Наконец, пожалуйста, держите провода между контактами короче. Это делается для того, чтобы избежать связи с компонентами из-за более длинных проводов радиочастотного сигнала.

Достижение жесткой схемы согласования импеданса вашего малошумящего усилителя

Это помогло бы, если бы вы попытались получить жесткую схему согласования импеданса для вашего усилителя с низким уровнем шума. Он учитывает оптимальные шумовые характеристики, фильтрацию и обеспечивает стабильность ввода и вывода. Пассивные элементы, такие как резисторы, ленточные линии, конденсаторы и индукторы, составляют схему согласования.

Допуски материала печатной платы, такие как толщина меди и допуски по ширине проводника, влияют на эту схему. Если есть какие-либо проблемы, связанные с изготовлением схем, это также повлияет на ваши схемы согласования импеданса. Размер этих допусков зависит от конкретной конструкции системы LNA.

Например, допуск на толщину меди оказывает более значительное влияние на соединительные структуры, такие как копланарные цепи.

С другой стороны, речь идет о влиянии на ширину и толщину проводника контура подложки. Более тонкие каналы отображают более значительную регулировку импеданса, чем более толстые курсы, для увеличения ширины проводника.

Допуск DK является еще одним параметром для печатной платы, который может влиять на ваши сети согласования импеданса, необходимые в конструкциях LNA.

малошумящего усилителя

Сводка

Итак, вот несколько советов, которым вы можете следовать, чтобы правильно спроектировать свою схему усилителя с низким уровнем шума. Вам нужны правильные сети согласования импеданса, материал печатной платы, слои печатной платы, схемы смещения, коэффициент шума и усиление. Вы можете обеспечить качественный дизайн, спроектировав печатную плату усилителя с низким уровнем шума в соответствии с требованиями радиочастотных сигналов.

Если вам нужен правильный поставщик услуг печатной платы. К счастью, существуют различные услуги по производству печатных плат, вы можете связаться с нами, и мы можем предоставить технологии, материалы и качественные услуги. Свяжитесь с нами прямо сейчас.

Hommer Zhao

Привет, я Хоммер, основатель WellPCB. На сегодняшний день у нас более 4000 клиентов по всему миру. Если у вас возникнут какие-либо вопросы, вы можете связаться со мной. Заранее спасибо.

Малошумящие усилители LNA в спутниковом оборудовании

Потери в фидерной (передающей) линии часто приводят к ослаблению спутникового сигнала. Для их компенсации, а также для улучшения качества связи на расстоянии, к системе подключается малошумящий усилитель.

Что такое малошумящий усилитель

МШУ — электронное устройство, которое усиливает сигнал, имеющий очень малую мощность, без значительного ухудшения взаимосвязи сигнал/шум.

Усилитель увеличивает мощность не только сигнала, но и шума, а также создает дополнительные шумовые помехи. МШУ спроектирован для их минимизации без влияния на согласование импеданса, увеличение мощности.

Роль малошумящего усилителя в спутниковых конвертерах LNB

Спутниковый LNB конвертер объединяет малошумящий усилитель сигнала, принимаемого со спутника, с понижающим частотным преобразователем.

Основная функция МШУ для подобной системы — оптимальное полезное извлечение, усиление спутникового сигнала. Однако LNA только приумножает его, но непосредственно конвертер (LNB — Low Noise Block Downconverter) создает необходимое увеличение при минимальном уровне шумов, а также преобразовывает сигнал до необходимой воспринимаемой приемником частоты.

Low Noise Block помещается перед получающей слабый сигнал спутниковой тарелкой, усиливает его, формирует более низкие частоты, а затем транслирует их по кабелю к приемному устройству.

Словосочетание Low Noise означает качество первого транзисторного предусилителя, которое измеряется в единицах, называемых коэффициентом шума или шумовой температурой, которые должны стремиться к нулю.

Слово Downconverter отражает преобразование получаемых со спутника сверхвысоких частот в более низкие.

Малошумящие низкочастотные усилители

Существует немало усилителей, для которых одним из основных необходимых параметров является требование обеспечить минимальный шум на выходе. Обычно такие схемы используются для усиления сигналов от различных датчиков, а также в приемниках прямого преобразования, где основное усиление осуществляется на низких частотах. Увеличение шумов приводит к невозможности различать слабые сигналы на фоне шума.

Шумы усилителей можно разделить по источнику их возникновения на внешние и внутренние. Внешние попадают на вход усилителя в результате наводок от работающих вблизи мощных устройств, например, радиопередатчиков, электромоторов или же из-за проникновения выходного сигнала схемы на вход через паразитные емкоети в самом корпусе усилителя. И если с помехами и наводками, вызванными внешними причинами, можно бороться с помощью фильтрации сигнала и выполнения удачной конструкции (оптимального расположения элементов и хорошей разводкой проводников, также экранированием схемы), то от шумов, возникающих в процесе усиления сигнала, избавиться гораздо труднее.

Внутренние шумы усилителя возникают при прохождении тока через пассивные и активные элементы схемы.
От построения схемы (схемотехники) также в немалой степени зависят шумовые характеристики. При разработке усилителя, имеющего большое отношение сигнал/шум, кроме оптимального выбора вида схемы, важно правильно подобрать элементную базу и оптимизировать режим работы каскадов.

Выбор компонентов схемы

В реальном усилителе источником внутренних шумов являются:
1) тепловые и токовые шумы резисторов;
2) фликкер-шумы конденсаторов, диодов и стабилитронов;
3) флуктуационные шумы активных элементов (транзисторов);
4) вибрационные и контактные шумы.

Резисторы

Собственные шумы резисторов складываются из тепловых и токовых шумов.

Тепловые шумы вызваны движением электронов в токопро-водящем веществе, из которого изготовлен резистор (этот шум увеличивается с увеличением температуры). Если на резистор не действует напряжение, то ЭДС шумов на нем (в мкВ) определяется из соотношения:

Eш=0,0125 x f x R,
где f -полоса частот в кГц; R -сопротивление в кОм.

Токовые шумы возникают при протекании через резистор тока. В этом случае шумовое напряжение появляется из-за эффекта флуктуации контактных сопротивлений между проводящими частицами материала. Его величина линейно зависит от приложенного напряжения. Поэтому шумовые свойства резисторов характеризуются уровнем шума, представляющим собой отношение действующего значения переменной составляющей напряжения шумов Em (мкВ) к приложенному напряжению U (В): Em/U.

Частотный спектр обоих видов шумов непрерывный («белый шум»). И если у теплового шума он равномерно распределен до очень высоких частот, то у токового шума начинает спадать уже примерно с 10 МГц.

Общая величина шума пропорциональна квадратному корню сопротивления, поэтому для его уменьшения величину сопротивлений в схеме надо также уменьшать.
Иногда с целью снижения шумов, вызванных резисторами, прибегают к их параллельному (или последовательному) включению, а также устанавливают большей мощности, чем это требуется для работы. Кроме того, можно применять из них те типы, в которых за счет технологии изготовления этот параметр меньше.

У непроволочных резисторов токовые шумы значительно больше тепловых. Общий уровень шума для разных типов резисторов может находиться в диапазоне от 0,1 до 100 мкВ/В.

Для сравнения различных резисторов (постоянных и подстроечных из группы СП) максимальные значения шумов приведены в таблице 1

Тип резисторов Технологическое исполнение Уровень шума, мкВ/В
БЛТ буроуглеродистые 0,5
С2-13 С2-29В металлодиэлектрические 1,0
С2-50 металлодиэлектрические 1,5
МЛТ ОМЛТ С2-23С2-33 металлодиэлектрические 1. 5
С2-26 металлооксидные 0,5
СП3-4
СП3-19
СП3-23
пленочные компазиционные 47. 100
25. 47
25. 47

Таблица 1 — Шумовые свойства резисторов

Как видно из таблицы, подстроенные резисторы значительно больше шумят. По этой причине их лучше применять с небольшими номиналами или же вообще исключить из схемы.
Шумовые свойства резисторов можно использовать для выполнения широкополосного генератора шума.

В качестве рекомендаций по выбору резисторов для сборки малошумящего усилителя можно отметить, что наиболее удобно использовать типы: С2-26, С2-29В, С2-33 и С1-4 (бескорпусное чип-исполнение). В последнее время в продаже появились малошумящие импортные металлодиэлектрические резисторы, по конструкции аналогичные С2-23, но с более низким коэффициентом шума (0,2 мкВ/В).

Существенно снизить шумы у резисторов можно путем их сильного охлаждения, но такой способ слишком дорогой и применяется очень редко.

Конденсаторы

В конденсаторах источником фликкершумов является ток утечки. Наибольшие токи утечки имеют оксидные конденсаторы большой емкости. Причем утечка увеличивается с увеличением емкости и снижается с увеличением допустимого номинального рабочего напряжения.

Справочные данные по наиболее распространенным оксидным конденсаторам приведены в таблице 29.
Наименьшие токи утечки среди полярных конденсаторов имеют: К53-1А, К53-18, К53-16, К52-18, К53-4 и другие.
Оксидные конденсаторы, установленные на входе в качестве разделительных, способны существенно увеличить шумы усилителя. Поэтому желательно избегать их применения, заменяя на пленочные (К10-17, К73-9, К73-17, КМ-6 и др.), хотя это и приведет к существенному увеличению размеров конструкции.

Тип конденсатора
Технология изготовления
Рабочая температура, С
Ток утечки, мкА
К50-6
К50-16
К50-24
алюминиевые оксидно-электролитические
-10. +85
-20. +70
-25. +70
4. 5000
4. 5000
18. 3200
К52-1
К52-2
К52-18
танталовые оксидные объемно-пористые
-60. +85
-50. +155
-60. +155
1,2. 8,5
2. 30
1. 30
К53-1
К53-1А
К53-18
танталовые оксидно-полупроводниковые
-80. +85
-60. +125
-60. +125
2. 5
1. 8
1. 63

Таблица 2 — Справочные параметры конденсаторов

Диоды и стабилитроны

При прямом прохождении тока шумы у диодов минимальны. Наибольший шум обеспечивает ток утечки (при действии обратного напряжения), и чем он будет меньше, тем лучше. Довольно большие шумы у стабилитронов. Это свойство даже иногда используют для выполнения простейших генераторов шума для детских игрушек (имитаторы шума прибоя, звуков костра и др. -Л16, Л17). Для получения максимального шума в таких схемах стабилитроны работают на малых токах (с большим добавочным резистором).

Трнзисторы

В самом транзисторе основными видами шумов являются тепловой и генерационно-рекомбинационный, спектральная плотность мощности которых не зависит от частоты.

Чтобы снизить уровень шума, для работы во входных каскадах у нас в стране обычно применяют малошумящие биполярные транзисторы с нормируемым коэффициентом шума (Кш). Такими являются: (п-р-п) КТ3102Д(Е), КТ342В и (p-n-р) КТ3107Е(Ж, Л) и ряд др. Тут следует отметить, что применение малошумящих высокочастотных биполярных транзисторов в диапазоне низких частот, как правило, бывает нецелесообразно. У таких транзисторов нормируется коэффициент шума только в области высоких частот, а в диапазоне ниже 100 кГц они могут шуметь не меньше любых других. Кроме того, у таких транзисторов возможно проявление склонности к возбуждению (автогенерации).

При необходимости получить большое входное сопротивление во входном каскаде усилителя нередко применяют полевой транзистор КП303В(А). Он изготовлен с затвором на основе р-n перехода (каналом n-типа) и имеет нормируемый коэффициент шума.

Контактные шумы

возникают при некачественной пайке (с нарушением температурного режима) или в местах соединения разъемов. По этой причине не рекомендуется выполнять подключение входных цепей малошумящего усилителя через разъемные соединения. Я также встречался с ситуацией, когда транзисторы после повторной пайки больше шумели в той же самой схеме.

Вибрационные шумы

могут проявляться при эксплуатации устройства на подвижных объектах или в местах с повышенной вибрацией от работающего оборудования. Они возникают из-за передачи механических колебаний на обкладки конденсаторов, между которыми имеется разность потенциалов (так называемый «пьезо-микрофонный эффект»). Это наблюдается даже в малогабаритных керамических конденсаторах (К10, К15 и др.) повышенной емкости (более 0,01 мкФ). Особенно сильно такая помеха может проявляться в разделительных конденсаторах, установленных на входе усилителя. Сигнал помехи при механических вибрациях имеет форму коротких остроконечных импульсов, спектр которых находится в диапазоне низких частот. Для борьбы с такого вида помехами можно применять амортизацию всей конструкции. В оксидных конденсаторах эти помехи не возникают.

При выборе деталей для сборки малошумящей схемы необходимо принимать во внимание их срок изготовления. Производитель гарантирует параметры только в течение определенного срока хранения. Это обычно не более 8. 15 лет. Со временем происходят процессы старения, проявляющиеся в снижении сопротивления изоляции, у конденсаторов уменьшается емкость и возрастают токи утечки. Особенно сильно меняют свои характеристики со временем оксидные конденсаторы. По этой причине лучше, по возможности, избегать их применения в цепях прохождения сигнала.

Малошумящий инфранизкочастотный высоко-чувствительный усилитель шумов.

Раз уж я начал активно задумываться о понижении шумов ГЛИН, то эти шумы нужно чем-то измерять, а достаточно чувствительного прибора у меня нет.

И мне, как и герою фильма, постер которого возглавляет сегодняшний пост, приходится часами на пролет всматриваться в шумы той или иной моей поделки, в поисках чего-то сверхестественного.

А раз нет чувствительного прибора, значит его нужно создать!
Класс малошумящих высоко-чувствительных усилителей не редкость сам по себе, многие кто занимается измерениями пытаются себе такой усилитель создать или купить. Типичная отличительная черта таких усилителей, высокая степень усиления, от x10 000 до x1 000 000, чтобы можно было различать суб-микровольты шума. Но когда измеряешь скажем источник опорного напряжения 7В, если к нему применить усилитель с коэфицентом пусть даже x10 000, то на выходе получится напряжение “овер-дохуя. ” 70 киловольт.

Чтобы такого не происходило, постоянную составляющую напряжения режут полосовым фильтром, выделяя диапазон частот 0.1Гц….10Гц. И все-бы ничего…. но когда садишься считать частоту среза фильтра на 0.1Гц, понимаешь, что задача почти не решаема. Поясняю по чему:

Я посмотрел типовые схемы интернет-гиков, народ обычно берет ультра-лоу-нойз чопперы и пытается решить нерешаемую задачу минимизации утечки конденсатора, минимизации шума резистора, минимизации инжекции шума ОУ. И когда импеданс доходит до приемлемых нескольких килоОм, то для обеспечения частоты среза 0.1Гц, ёмкость отсекающая постоянную составляющую растет до тысяч микрофарад. А все потому, что кругом одни “копирасты”, которые обучены только читать аппноты(на подобии этого), и слабо обучены думать и задаваться вопросом “как можно решить эту задачу?”, и уж тем более, совсем не обучены электрометрии.

А теперь представьте себе, у Вас RC фильтр с частотой среза 0.1Гц, после которого стоит усилитель с Gain x10 000+++, сверх-высокочуствительный к каждому микровольту после RС фильтра, на входе которого(фильтра) потенциал 7…10 вольт, или более. Подставу уже чуете? Правильно! Опытный читатель блога знает, что нет на планете земля такого конденсатора, который-бы при тысячах микрофарад емкости, обеспечил-бы малую диэлектрическую абсорбцию и малые токи утечки.

И тут у народа начинает нести крышу… Они самоотверженно ищут пленочные конденсаторы с малой абсорбцией и малыми токами утечки, а именно пленочные, высокой емкости, и начинают строить из них сверх-большие батареи конденсаторов. Но пленка высокой емкости тоже течет, ибо пленка на микрофарады в малом корпусе не идеальна.

Пыжась, тыкаясь, рыдая, народ эту проблему более менее решает, и сильно радуется тому что удалось получить нижнюю частоту среза 0.1Гц. В качестве примера, привожу схему коллеги Михаила. (см. конденсатор C1, это наборный конденсатор из целого мешка пленок)

А если включить мозг?

Так вот, если его включить, то можно узнать, что вовсе не обязательно следовать этим канонам. Можно применить концепт “емкостного усилителя”, в плечах которого не резисторы задают коэффициент усиления, а конденсаторы, в схеме активного усилителя на ОУ:

Где коэффициент усиления переменной составляющей задаться соотношением плечей конденсаторов C1/C2, а частоты срезов задаются резисторами R1(верхняя) R2(нижняя). И о чудо! Советские идеи инфра-низко-частотной техники, позволяют уйти от шума резисторов, перейдя к шуму емкостей. Которые позволяют получить некоторые на порядок более эффективные конфигурации.

Применив распространённый малошумящий, полу-прицизионный ОУ с полевым входным каскадом, к примеру Texas Instruments OPA140, с типичными токами входов менее 1пА, можно смело ставить на него не такие высокие как у “коллег” емкости. К примеру я поставил C1/C2=10мкФ/5нФ, что дало коэффициент усиления x2 000. А поскольку верхняя емкость не велика, я набрал ее из высококачественной пленки K71-7 500нФ +-0.5% 250В, которой я прикупил как-то целых две коробки, за очень дешево.

Гнать коэффицент усиления в миллионы нет никакой необходимости, т.к. усилитель ставится между исследуемым устройством и мультиметром, у которого усилитель уже есть. Как нет и необходимости удалять постоянное смешение выхода усилителя, образуемое из за токов утечки или токов ЛИН. Ну по крайней мере нет нужды именно для моих мультиметров, так как с помощью обратной функции “mx+b=-0.0005x+0” мультиметр не только пересчитывает напряжение с учетом коэффициента усиления 2000, но и учитывает что усилитель инвертирующий. А с помощью относительных измерений(функция Relative) легко убирается постоянная составляющая.

Быть-может есть смысл в усилении x1 000 000, чтобы 1мкВ=1В, если рассматривать это на осциллографе, но как раз осциллограф менее удобен для частот менее 10Гц. Для таких частот самое-то высокопроизводительный мультиметр и часы логирования, и мат. анализа, а не осциллограф.

В нижнее плечо поставлены тоже К71-7, но Особой-Селекции, хотя можно было-бы применить и обычные…. Но у меня обычных на 5нФ просто нет.

Резистор R1 вычисляется так, чтобы на частоте 10Гц был срез по уровню -3dB. А резистор R2 подбирается по вкусу, так чтобы он смог в предельных режимах компенсировать токи утечки наборной батареи конденсаторов “C1”, не позволяя уйти усилителю в “вечный оверлоад”. И о чудо! У меня вышло, что утечка и эффекты диэлектрической абсорбции у полистирольных конденсаторов К71-7 настолько малы, что для гарантированной и приемлемой их компенсации достаточно даже резистора КВМ 10ГОм. А это дает нижнюю частоту среза по уровню -3dB 0.003Гц . Из за того, что резистор R2 работает не на полностью идеальные компоненты, частота среза по уровню -3dB получается несколько выше, где-то около 0.02Гц.

Что, слабо тебе Иллон Маск сделать на коленке, усилитель с полосой 0.02Гц….10Гц с чувствительностью лучше 1мкВ, из говна и палок?

Это лишь прототип, в котором не учтены нюансы правильного фильтрования питания, утечек, наводок, паразитных емкостей, и т.п. Конечно-же стоит его сделать более “правильно”. Но этот прототип показывает, что даже в таком виде, концепт работает!

Покажу на практике, что это дает:

Замер одного из трех ИОН из материала “Самодельный ИОН 10.6В на базе Linear technology LM399AH“, с помощью обычного 6.5 разрядного мультиметра дает следующие данные о его шуме:

(5мкВ/клетку, длительность измерения 10 мин)

Другими словами…. мало что дает… ну чо-то шумит…. что не ясно, спектр шума не ясен, профиль не просматривается…

Подключаем новейший инфра-низко-частотный LNA с диапазоном 0.02Гц…10Гц “из говна и палок”, с коэффициентом усиления 2000 между ИОН и тем-же мультиметром, и получаем разительно иную картину.

(5мкВ/клетку, длительность измерения 10 мин)

Сразу картина становится четкой и ясной, виден характерный “телеграфный” шум, который мультиметр сам по себе не смог четко рассмотреть.

Чтобы не быть голословным, когда я пишу о суб-микровольтах, привожу замер собственного шума усилителя с входом заглушенным колпачком.

(5мкВ/клетку, длительность измерения 10 мин)

Ст.девиация=33.3 нВ
Пик-ту-пик=130.5 нВ

Но я не пишу о том, что это усилитель с чуйкой 100нВ, т.к. вопрос это довольно относительный, и сильно зависит от множества факторов, в том числе и от диэлектрической абсорбции конденсаторов. По этому будем довольствоваться формулировкой “усилитель с чувствительностью в суб-микровольтовом диапазоне”.

А если подключить в цепь обратной связи дополнительные компенсационные резисторы, для чего на крышке бокса выведен доп. разъем, то можно этот концепт ограниченно применять и для измерения шумов ЛИН. (проверено!) Доп. резисторы нужны, чтобы помимо обычной утечки C1, обратной связи хватало тока, чтобы компенсировать постоянную составляющую тока образуемую ЛИНом. Правда при этом понижается полоса, но даже с более узкой полосой эта коробочка все еще полезна!

PS. Я не говорю, что мое решение единственно верное…. Я говорю что право на жизнь оно имеет. О чем собственно и данный материал. А Мише привет. Я весь вечер пытался найти фото его усилителя, с эпичной батареей конденсаторов, но видимо эти фото стали жертвой боевых действий. Жаль. Я еще помню, как Миша мне ее показывал на каком-то форуме, и говорил, что было эпически больно ее разбирать, когда потекло несколько конденсаторов. Я тогда еще думал – “ой как сложно… не стоит оно того… сплошные проблемы”, однако всего один день раздумий и сборки прототипа, показал, что оказывается все очень просто и все необходимое у меня уже есть…. даже покупать ничо не пришлось.

UPD: Благодаря коллеге с форума, искомое фото усилителя Михаила нашлось тут!

Это как раз то о чем я писал выше…

Рубрики Best-of-best Метки LNA, Электрометрия

залетная картинко

  • Март 2024 (2)
  • Февраль 2024 (5)
  • Январь 2024 (15)
  • Декабрь 2023 (2)
  • Ноябрь 2023 (2)
  • Октябрь 2023 (2)
  • Сентябрь 2023 (2)
  • Август 2023 (4)
  • Июль 2023 (16)
  • Июнь 2023 (5)
  • Май 2023 (6)
  • Апрель 2023 (10)
  • Март 2023 (15)
  • Февраль 2023 (10)
  • Январь 2023 (8)
  • Декабрь 2022 (8)
  • Ноябрь 2022 (13)
  • Октябрь 2022 (11)
  • Сентябрь 2022 (12)
  • Август 2022 (4)
  • Июль 2022 (8)
  • Июнь 2022 (9)
  • Май 2022 (6)
  • Апрель 2022 (5)
  • Март 2022 (11)
  • Февраль 2022 (5)
  • Январь 2022 (10)
  • Декабрь 2021 (6)
  • Ноябрь 2021 (5)
  • Октябрь 2021 (7)
  • Сентябрь 2021 (3)
  • Август 2021 (4)
  • Июль 2021 (4)
  • Июнь 2021 (7)
  • Май 2021 (7)
  • Апрель 2021 (3)
  • Март 2021 (3)
  • Февраль 2021 (4)
  • Январь 2021 (3)
  • Декабрь 2020 (6)
  • Ноябрь 2020 (4)
  • Октябрь 2020 (3)
  • Август 2020 (1)
  • Июль 2020 (1)
  • Июнь 2020 (2)
  • Май 2020 (5)
  • Апрель 2020 (2)
  • Август 2019 (1)
  • Июль 2019 (1)
  • Июнь 2019 (2)
  • Май 2019 (2)
  • Апрель 2019 (1)
  • Март 2019 (2)
  • Январь 2019 (1)
  • Ноябрь 2018 (3)
  • Октябрь 2018 (3)
  • Сентябрь 2018 (3)
  • Август 2018 (2)
  • Июль 2018 (2)
  • Июнь 2018 (7)
  • Май 2018 (6)
  • Апрель 2018 (6)
  • Март 2018 (2)
  • Февраль 2018 (4)
  • Январь 2018 (6)
  • Декабрь 2017 (1)
  • Ноябрь 2017 (3)
  • Октябрь 2017 (8)
  • Сентябрь 2017 (11)
  • Август 2017 (13)
  • Июль 2017 (24)
  • Июнь 2017 (23)
  • Май 2017 (23)
  • Апрель 2017 (20)
  • Март 2017 (9)
  • Февраль 2017 (7)
  • Январь 2017 (8)
  • Декабрь 2016 (7)
  • Ноябрь 2016 (4)
  • Октябрь 2016 (14)
  • Сентябрь 2016 (12)
  • Август 2016 (7)
  • Июль 2016 (3)
  • Июнь 2016 (8)
  • Май 2016 (3)
  • Апрель 2016 (3)
  • Март 2016 (5)
  • Февраль 2016 (9)
  • Январь 2016 (4)
  • Декабрь 2015 (1)
  • Ноябрь 2015 (1)
  • Сентябрь 2015 (6)
  • Август 2015 (6)
  • Июль 2015 (5)
  • Июнь 2015 (5)
  • Май 2015 (3)
  • Апрель 2015 (7)
  • Март 2015 (2)
  • Февраль 2015 (1)
  • Январь 2015 (2)
  • Декабрь 2014 (3)
  • Ноябрь 2014 (4)
  • Октябрь 2014 (1)
  • Сентябрь 2014 (1)
  • Август 2014 (4)
  • Май 2014 (1)
  • Апрель 2014 (4)
  • Январь 2014 (1)
  • Декабрь 2013 (1)
  • Ноябрь 2013 (1)
  • Октябрь 2013 (1)
  • Сентябрь 2013 (1)
  • Август 2013 (2)
  • Июнь 2013 (2)
  • Май 2013 (2)
  • Апрель 2013 (1)
  • Март 2013 (1)
  • Октябрь 2012 (3)
  • Сентябрь 2012 (2)
  • Август 2012 (6)
  • Июнь 2012 (1)
  • Май 2012 (3)

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *