试做Dual JFET 0.1～10Hz噪声测试系统

archwang

    近来坛里04102和JackFrost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=101789和http://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。

archwang

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。

archwang

    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。

archwang

    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）

pcbboy1991

板子焊得颇有大师的风范，哈哈。

xuplastic

技术贴帮顶~！！

kixz

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

archwang

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。

heyj

不错的技术贴！  请教一下，示波器什么型号？频率多高的？

archwang

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！

kixz

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

yu2007

想知道孪生管在哪里啊？我没看到呢，，，

archwang

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。

kixz

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

archwang

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。

archwang

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。

test01

真强悍的东东

longshort

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。

yu2007

U401在这里怎么样？

archwang

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？

archwang

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。

yu2007

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？

archwang

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）

kixz

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

marshallemon

LZ能否共享下文中提到的相关文档

JackFrost

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)。

archwang

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。

archwang

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

archwang

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。