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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。



    为了标定增益/频响,在电容输入端设置10 /10k Ohm分压器。


    最后把电路装进屏蔽盒中。木有BNC,直接打孔引线。


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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

    1.35Hz,输出2.0Vp-p

    10.0Hz,输出1.4Vp-p

    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。


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


    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



    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



    3.2uV,看来有点偏低么?加热看看。


    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


    63uV,真可怕……

    再来一个看不清7几年的2DW235


    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


    1.1uV……有点儿颠覆哦。

    再来一个德昌的银色1N4734A,Iz = 5mA,Vz = 5.543V


    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


    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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 楼主| 发表于 2015-5-29 23:40:22 | 显示全部楼层
laisla 发表于 2015-5-29 22:07
哇,好快啊...我还在寻找电容呢...
其实好像还有颗电阻.据说用金属箔就OK,但还是决定先找到电容

    看上去普通金属膜电阻的附加噪声也能凑合接受。电容我还是建议买薄膜的并联,我用贵屿拆机的,有两种还不错,关键是灰常便宜啊!
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发表于 2015-5-29 23:42:44 | 显示全部楼层
archwang 发表于 2015-5-29 23:37
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 ...

130nv....和3K電阻類似 確實很多東西都遠遠大于他了

其實如果是高阻的玩意就相當敏感了,屏蔽相當麻煩
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发表于 2015-5-29 23:44:26 | 显示全部楼层
想知道孪生管在哪里啊?我没看到呢,,,
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 楼主| 发表于 2015-5-29 23:45:03 | 显示全部楼层
heyj 发表于 2015-5-29 23:39
不错的技术贴!  请教一下,示波器什么型号?频率多高的?


    示波器老差了!DS8608A,数字存储模式每屏幕采样点才4000个。不过如果按照通常衡量指标6.6倍rms,相当于99.9%置信区间,4000点也应该是能用的。
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发表于 2015-5-29 23:45:10 | 显示全部楼层
archwang 发表于 2015-5-29 23:40
看上去普通金属膜电阻的附加噪声也能凑合接受。电容我还是建议买薄膜的并联,我用贵屿拆机的,有两种 ...

天朝特色金屬膜是很有問題的....
附加的是严重的热电效应
但贴片倒是很容易买到良好品质的
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 楼主| 发表于 2015-5-29 23:46:47 | 显示全部楼层
yu2007 发表于 2015-5-29 23:44
想知道孪生管在哪里啊?我没看到呢,,,


    自己配对的,蜡封在最中央那个铝电解的壳子里。
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 楼主| 发表于 2015-5-29 23:48:42 | 显示全部楼层
kixz 发表于 2015-5-29 23:45
天朝特色金屬膜是很有問題的....
附加的是严重的热电效应
但贴片倒是很容易买到良好品质的


    热电效应一般导致更低频的漂移,只要做一定程度的热隔离,在这里HPF之后是不干扰的。
    其实我就是图个搭棚方便,这样搭棚容易做一点接地。
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发表于 2015-5-30 02:10:10 | 显示全部楼层
真强悍的东东
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发表于 2015-5-30 07:48:11 | 显示全部楼层
archwang 发表于 2015-5-29 21:52
继续稳压管测试
    首先是杂牌1N4734A,Iz = 5mA,Vz = 5.612 V

1N4734和2DW233的测试结果(p-p值?)确实有点出乎意料,虽然两款基准的超低频噪声都比较低,但都低得不太敢相信。对1N473x的测试youngliu和我都做过,rms值可以低到这个程度,2011年的2DW232在50C恒温下500天的单个基准平均p-p值是3.9uV,折合rms在0.6uV上下;测试带宽都在DC~10.61Hz,这个带宽是万用表的输入带宽。

JFET的输入电压噪声会稍高些,我是直接用OPA2277做DC放大来测试运放的失调和超低频噪声,上述频段的短路输入噪声密度约为9.2nV/sqrt(Hz),若有兴趣可查看我的帖子。

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发表于 2015-5-30 09:00:07 38hot手机频道 | 显示全部楼层
U401在这里怎么样?
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 楼主| 发表于 2015-5-30 09:05:33 | 显示全部楼层
longshort 发表于 2015-5-30 07:48
1N4734和2DW233的测试结果(p-p值?)确实有点出乎意料,虽然两款基准的超低频噪声都比较低,但都低得不 ...


    我正是拜读过您二位的大作才想起来要测一下稳压管。
    不过我之前看到您在2013~2104年的两个帖子http://bbs.38hot.net/forum.php?mod=viewthread&tid=84620 http://bbs.38hot.net/forum.php?mod=viewthread&tid=49306,测试都是在0.005Hz~0.78Hz范围内进行的,之后外推到0.1Hz~10Hz频段。请问您是用什么噪声模型进行的外推?如果您给出诸如此频段内某器件9.2nV/sqrt(Hz)这样的噪声密度,是不是意味着在数学处理上认为此频段内噪声密度平直?
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 楼主| 发表于 2015-5-30 09:12:00 | 显示全部楼层
yu2007 发表于 2015-5-30 09:00
U401在这里怎么样?

    毫无优势。
    根据Datasheet,10Hz下en典型值,U401 20nV/sqrtHz,LSK389 2.5nV/sqrtHz
    也只有奇怪的日本人创造这种特殊结构的JFET:2SK146,2SK170,2SK369。或许初衷都是为了高保真音响吧。
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发表于 2015-5-30 09:19:15 | 显示全部楼层
archwang 发表于 2015-5-30 09:12
毫无优势。
    根据Datasheet,10Hz下en典型值,U401 20nV/sqrtHz,LSK389 2.5nV/sqrtHz
    也只 ...


401标的是最大值,,而389是10DB最大,,,想问一下怎么转换?
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 楼主| 发表于 2015-5-30 09:37:00 | 显示全部楼层
本帖最后由 archwang 于 2015-5-30 09:40 编辑
yu2007 发表于 2015-5-30 09:19
401标的是最大值,,而389是10DB最大,,,想问一下怎么转换?


    标NF的地方都会提到相应的RG   
    换算公式参见The Art Of Electronics - 2nd Edition 第434页
    另外建议去看2SK369的Datasheet,NF比2SK389要好哦(当然,RG也不一样,不过可以换算的)

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发表于 2015-5-30 11:00:21 | 显示全部楼层
archwang 发表于 2015-5-29 23:48
热电效应一般导致更低频的漂移,只要做一定程度的热隔离,在这里HPF之后是不干扰的。
    其实我 ...

這倒也是
奇怪一般齐纳的噪声比想像的低很多
有时间我也试试
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发表于 2015-5-30 11:29:52 | 显示全部楼层
LZ能否共享下文中提到的相关文档
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发表于 2015-5-30 11:49:47 | 显示全部楼层
赞一个,搭棚焊得漂亮,整片的铜箔效果很不错,比我的洞洞板强太多了,我的手艺实在是没脸见人啊。用JFET做输入的形式也是当初想做的,手头一直没有合适的零件,想到配对也是害怕,再加上零件也多了好多,没有PCB焊起来太累,只好退却了。LT是160nV的指标,楼主能达到80nV真是没想到,确实不错。楼主的实验非常好,双JFET确实是更好的结构,接下来再期待LAISA大神的作品了。另外一只以为稳压二极管噪声比较高,没想到那几款测出来噪音水平这么低了,也许是后面工艺改进了,以前的爆米花噪声大大降低了(几款国产早期的确实是工艺太差)。

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我也不知怎么的,感觉楼主的图很怪异,40uF+39k的组合怎么就能得到80nV的噪声呢?39k的噪声楼主也测过,0.52uVp-p,难道是图不对文吗?我好迷惑  发表于 2016-1-6 16:15
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 楼主| 发表于 2015-5-30 12:16:52 | 显示全部楼层
kixz 发表于 2015-5-30 11:00
這倒也是
奇怪一般齐纳的噪声比想像的低很多
有时间我也试试

    关于普通稳压管,我有点怀疑是内阻和限流电阻构成了分压器。
    但是根据1N47系列的Datasheet(济南固锝),1N4734A在5mA时动态内阻也只有十欧左右,相对于510欧的限流电阻,应该没有很大的影响吧。
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 楼主| 发表于 2015-5-30 12:18:58 | 显示全部楼层
marshallemon 发表于 2015-5-30 11:29
LZ能否共享下文中提到的相关文档

http://www.linear.com/designtools/app_notes.php 这里都有
Linear是个好公司,在此致谢
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 楼主| 发表于 2015-5-30 12:25:11 | 显示全部楼层
JackFrost 发表于 2015-5-30 11:49
赞一个,搭棚焊得漂亮,整片的铜箔效果很不错,比我的洞洞板强太多了,我的手艺实在是没脸见人 ...

向您致敬!是您提醒我可以暂时不纠结电容问题,我这才敢动手。
至于JFET配对,不尝试一下怎么知道?花一个OPA140的钱,买十几个来,或许就能有惊喜哦。反正只要求在工作电流下Vgs差别不太大,其它指标不严格也无所谓,反馈解决大部分问题。
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