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[制作] 试做Dual JFET 0.1~10Hz噪声测试系统

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发表于 2015-5-29 21:51:47 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 archwang 于 2015-5-30 00:34 编辑

    近来坛里04102JackFrost二位都做过0.1~10Hz噪声放大测试系统,详见http://bbs.38hot.net/forum.php?mod=viewthread&tid=101789http://bbs.38hot.net/forum.php?mod=viewthread&tid=115429两篇大作。前一作品主要卡在了前级OPA627的电压噪声上;后一作品选择了噪声更低的低Ib运放OPA188,达到了设计目标。坛里公认AN124是最靠谱的方案,但未见坛友试做。laisla提到输入电容的问题不好解决,但JackFrost指出如果源阻抗低(事实上至少电压基准的动态内阻往往是很低的,例如LM399最大值为1.5 Ohm,2DW7C在5mA时约为20 Ohm,10mA时约为5 Ohm),选用大电阻小电容也无妨。不论如何,AN124里160nVp-p的指标还是很诱人的,而且这个噪声指标也不关电容的事儿,于是决定试一把。
    细读AN124方案,其中包括80dB前置放大,0.1~10Hz滤波(兼20 dB放大)以及峰值保持电路。其中最关键的就是前置放大级。这部分电路其实是Linear的保留节目,在AN61(第13页)和AN45(第2页)都有描述:前一篇用2SK147,0.1~10Hz噪声(p-p,下同)45nV;后一篇用2n6485,噪声200nV。AN124用LSK389或者2SK369。其中LSK389是Linear System生产的2SK389代换品,而2SK389的性能差不多相当于一对2SK170;2SK369的噪声性能显著优于2SK170。而且据Analog Dialogue介绍,LSK389的实际失配通常在1~10mV;这个水平的配对对于JEFT来说并不是很困难。因此本实验选定了2SK369作为JFET输入级。
    AN124的前置放大中最特别的要数Vos的伺服抵消电路。这对于单级80dB避免饱和是必要的。但如果降低增益,有可能取消这一部分。在60dB增益下,1mV左右的失调可以接受。减少一个运放和一个三极管,对降低系统噪声也会起到积极作用。其实我才不会说是因为这部分电路我没看明白,100k Ohm/1 uF,时间常数0.1 s,感觉好奇怪……)
    系统计划采用锂电池供电,正负7.4V,因此JFET的偏置应当做出调整,保证ID = 6mA,VGS = 3~4V为宜。反馈电阻改为100k/100,增益60dB。须注意要对运放做适当的补偿,我付出了一对JFET的代价...
    JFET选用2SK369BL,直接焊到电路中配对。这步比我想象的要顺利。配好后套一个铝电解的壳,灌蜡封。运放初步就用OP07了,等OPA277到了再换,不过应该没太大影响。
    后面就按照JackFrost提供的SLAU522,2阶0.1Hz高通(10倍增益)接4阶10Hz巴特沃斯低通(10倍增益)。低通部分用E24元件数值重新计算。全部电路在单面板上悬空搭棚。输入RC用40uF/39k,与AN124 1300uF/1.2k的截止频率相同。

全体照。中心为JFET,其右为前放OP;下为滤波器

全体照。中心为JFET,其右为前放OP;下为滤波器

搭棚结构

搭棚结构


    为了标定增益/频响,在电容输入端设置10 /10k Ohm分压器。

60dB衰减

60dB衰减


    最后把电路装进屏蔽盒中。木有BNC,直接打孔引线。

装盒

装盒


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 楼主| 发表于 2015-5-29 21:52:29 | 显示全部楼层
本帖最后由 archwang 于 2015-5-29 22:21 编辑

增益/频响/噪声测试

    信号发生器向分压器输入20mVp-p正弦波,在不同频率测量输出幅度
IMG_20150529_123820.jpg
    1.35Hz,输出2.0Vp-p

10.0Hz

10.0Hz

    10.0Hz,输出1.4Vp-p

0.117Hz

0.117Hz

    0.117Hz(信号源烂,低不下去了……),输出1.3Vp-p

    可见通频带中部增益达到设计指标100dB;10Hz处-3dB基本准确;0.1Hz处截止频率偏高,这是为什么呢?
    SLAU522应该没错啊?仔细一想,输入端的RC给0.1Hz处又增加了一个极点,0.1Hz处应当已经是-6dB……所以这么直接串联是不严谨的。当然,AN124的0.1Hz处也是-6dB。姑且如此吧,整体上应该差不了太多,以后再做修正。

    撤掉信号源,相当于输入端通过10 Ohm接地,测试本底噪声。

10s噪声

10s噪声

500s噪声(380s后冰箱启动干扰)

500s噪声(380s后冰箱启动干扰)

系统预热2min后,10s内噪声折合输入约86nV,500s内大约为130nV。本系统木有用低噪声电阻,JFET也木有做更多的电磁屏蔽和热屏蔽,木有用BNC,电池全外置,周围人不停走动,日光灯/冰箱不能关,达到这水平也是出乎我意料。

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我已搞明白为什么是86nVp-p了,是准确的,理论计算前端高通自己的短路热噪是66nVp-p,加上其它的噪声,这个86nVp-p是靠谱的  发表于 2016-1-6 22:58
您好,我反复细读了您的帖子,《试做Dual JFET 0.1~10Hz噪声测试系统》,请问 第7张图测本底(外部10欧到地)86nVp-p是对应的40uF-39k高通参数吗?我很迷惑,为什么不是39k电阻的10Hz带宽热噪声0.53uVp-p?  发表于 2016-1-6 16:49
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 楼主| 发表于 2015-5-29 21:52:41 | 显示全部楼层
本帖最后由 archwang 于 2015-5-29 23:09 编辑

    下面是一些电压基准元件的噪声测试。此测试仅对样品有效,或许我手头这个就是全世界素质最好/最差的那一个呢?

    先来个39k电阻热噪声
39k-1.jpg
39k-2.jpg
    531nV,居然和理论值差不多。

    第一个是饱受摧残的AD586LR,由于供电电压略低,临时加了两节1.5V电池。测量其输出为5.000V
586-1.jpg
586-2.jpg
586-3.jpg
    噪声3.0uV,手册上典型值为4uV,看来至少数量级对了。

    接下来是LM399,电流1mA。先来个不加热的
399-1.jpg
399-2.jpg
399-3.jpg
    3.2uV,看来有点偏低么?加热看看。
399-4.jpg
399-5.jpg
    记得坛里某位老大说过,部分LM399的噪声10s内可保持在2~3uV之内。看来室温下的确如此,但恒温后明显出现了大幅度的爆米花噪声。

    下面是一枚77年的2DW7C,电流5mA,下同
2dw7c-1.jpg
2dw7c-2.jpg
    63uV,真可怕……

    再来一个看不清7几年的2DW235
2dw235-1.jpg
2dw235-2.jpg
    117uV……我决定珍藏它,当做噪声发生器。


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 楼主| 发表于 2015-5-29 21:52:51 | 显示全部楼层
本帖最后由 archwang 于 2015-5-30 00:31 编辑

    继续稳压管测试
    首先是杂牌1N4734A,Iz = 5mA,Vz = 5.612 V
4734-1.jpg
4734-2.jpg
    1.1uV……有点儿颠覆哦。

    再来一个德昌的银色1N4734A,Iz = 5mA,Vz = 5.543V
4734TC-1.jpg
4734TC-2.jpg
    0.53uV……应该不是测错了。

    最后再来一个2014年上无十七厂的2DW233,Iz = 5mA,Vz = 6.206V
2DW233-2.jpg
2dw233-3.jpg
    0.50uV,即便是测试结果整体偏低,这个数据也仅是AD586的17%

    这里潜藏的一个问题是,稳压管与放大器共电,且没有用恒流源,只用电阻限流。如果稳压管的内阻与限流电阻相比不可忽略,结果可能会出现较大的偏差,初步估计最多会偏小50%。


    (完)

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发表于 2015-5-29 22:06:10 | 显示全部楼层
板子焊得颇有大师的风范,哈哈。
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发表于 2015-5-29 22:07:03 | 显示全部楼层
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发表于 2015-5-29 22:41:14 | 显示全部楼层
技术贴帮顶~!!
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发表于 2015-5-29 23:32:17 | 显示全部楼层
这不错 基本在预计值

其实 这种东西对干扰的敏感性不是非常大,简单屏蔽就很好了
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 楼主| 发表于 2015-5-29 23:37:57 | 显示全部楼层
kixz 发表于 2015-5-29 23:32
这不错 基本在预计值

其实 这种东西对干扰的敏感性不是非常大,简单屏蔽就很好了


   这东西对通常认识的“干扰”抵抗力非常好,我测试的时候裸板不装盒,只用金属筛盖上,居然没有严重的工频干扰。
   但是电磁脉冲会造成输出的跳变。所以AN124的屏蔽还是有意义的。我这里也全亏得待测元件噪声高,姑且一用。
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发表于 2015-5-29 23:39:40 | 显示全部楼层
不错的技术贴!  请教一下,示波器什么型号?频率多高的?
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