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。

全体照。中心为JFET，其右为前放OP；下为滤波器

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

    最后把电路装进屏蔽盒中。木有BNC，直接打孔引线。

装盒

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

    10.0Hz，输出1.4Vp-p

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

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。

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？