瞎DIY低频噪声放大器&四LM399均压基准噪声的瞎测 - 2014-12-13 更新放大器频响
本帖最后由 04102 于 2014-12-13 16:54 编辑2014-12-13，又到周末
扫频实测测一下这个东西的频响，大惊：
在10Hz处纵轴损失了两格半，以7格为100%计，10Hz处只剩下64%
以后做滤波器再也不轻信仿真了，这是个教训。
电阻好说，电容误差大，做出来真是需要实测才知道。
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2014-12-8，21:40，差不多了，说说结论
这是一个不成功的DIY，自身过大的噪声使得信噪比极低，不能准确测量相当低幅值的低频噪声。
电路结构更优的AN-124点击下载：
希望各网友不要走我的弯路。
本电路噪声主要来源为：
1. OPA627自身0.1Hz到10Hz下最大1.6μVp-p电压噪声
2. 本电路10μF/1MΩ高通中，1M电阻的热噪声0.41μVp-p
此电路结构不变的情况下改进余地：
1. 高通用大电容、小电阻的组合，使电阻热噪声降低。
1) 在AN-124中，使用了1300μF的钽电解与1.2kΩ电阻的组合，
电容最好具备的特性：容量大、低介质吸收、低漏电、无极性或能抗住
一定反向电压。能预见到寻找或制作这样的电容不是易事。AN-124中所
选为VISHAY的XTV138M030P0A“湿”钽电解电容，文中讲近400刀。
2) 尽量减小电阻阻值，AN-124中的高通电阻选用1.2kΩ，在25℃/10Hz下
噪声仅为14nV。
3) RC低通部分增大电容，减小电阻，同样的理由，减少热噪声。
2. 运放改用0.1~10Hz噪声更低的运放，如AD797
AD797为0.1~10Hz下典型50nVp-p电压噪声，2pA/√Hz电流噪声(0.1~10Hz
指标未单独给出)折到2.4kΩ电阻上为15nVp-p
到现在为止，本次DIY圆满失败，希望抛砖(真)引玉，大家探讨一下吧{:139_290:}
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2014-12-8，1:30，
经网友archwang的提醒，如此低频下示波器不能用AC耦合。
0.1~10Hz扫频给示波器，AC耦合，图在29楼。
加入Offset Trimer补偿Vos，500μV输入，示波器DC耦合，观察输出，重算放大倍数。
10Hz ：AVG 5.04Vp-p，10080x
5Hz ：AVG 5.19Vp-p，10380x
1Hz ：AVG 5.17Vp-p，10340x
0.5Hz：AVG 5.00Vp-p，10000x
0.3Hz：AVG 4.95Vp-p，9900x
0.2Hz：AVG 4.68Vp-p，9360x ←明显下坡
0.1Hz：AVG 3.35Vp-p，6700x ←差太多了，要么电容++，要么加电阻++
此时自身本底输出13mVp-p，4xLM399均压基准一起，输出39mVp-p。
唉，放大倍数，算10000吧，(3.9^2-1.3^2)^0.5 = 3.68μVp-p
越来越觉得失败了{:139_280:}
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2014-12-7，17楼更新放大倍数校正
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2014-12-7，凌晨，原帖：
周六，宅。
对基准器件的噪声特性好奇，想要观察，但示波器的最小档和本底噪声普遍都在1mV，所以想做这么个放大器。
想法很多，能力和时间太少，最终在今天搞了。
目标是0.1~10Hz，放大80db
原理图，AC耦合，极低频高通，后面再低通。我手里噪声最低的运放只有OPA627AU，所以就这样了
图方便就搭棚焊了，电池供电。输入和输出、电源开关都包铜皮胶带屏蔽
原理想着简单，但是实际一上电发现自己太嫩
最初的原理图最左边是100μF电容+100kΩ电阻（上图右边），实际我用5只22μF的X7R MLCC拼成
实际用的时候发现漏电大，导致同相输入端有毫伏级别的电压，导致输出饱和
下图右边是最初试机用的，后找了左边的这个CL20电容四只，拼到10μF去，电阻就相应换为1MΩ了：
这是后面换过电容的样子：
下面测试，输入短路：
短路输入端的时候，示波器上能看到不到9mVpp（示波器本底1mVp-p噪声）
除以10000，电路自身约0.9μVp-p。
信号源输入4mVpp(这个源的最小输出幅值) 1Hz正弦波，输出饱和，看起来梯形：
信号源输入1Hz方波：
信号源输入10Hz方波，边沿不够陡了：
下面测电压基准的时候，用BNC转鳄鱼夹的那种渣线的话，示波器只能看到鳄鱼夹的长线拾取到的高幅值50Hz工频干扰
只好在盒子上装BNC座了：
示波器波形-1：
示波器波形-2：
看样子是36mVp-p，减去自身9mVp-p得到25mVp-p，再除以10000，得2.5μVp-p。
OPA627，10Hz下最大40nV/√Hz，则10Hz最大0.13μVrms，p-p就到0.83μV了
0.1~10Hz的电流噪声为60fAp-p，前面有1M的电阻，则最大电流噪声造成的电压噪声最大有0.06μVp-p
1M电阻的10Hz 25℃约翰逊噪声有0.41μVp-p
全累加起来，电路自身最大会有1.3μVp-p
测试的时候折回来是900nVp-p，也许是运放没有运行在datasheet中的最差状态，也或许是我计算有问题
欢迎有兴趣、有话讲、有指导建议的各位前辈、老师拍砖交流！
最后，要说到最重要的事了，RMS噪声叠加要平方和再平方根，但是p-p的话，上面那么直接折算p-p靠谱吗？？
最后的最后，放三张我觉得大家会喜闻乐见的测试图：
1. 手机放在基准盒子上，拨号：
2. 手机放在基准盒子上，通话中：
3. 手机放在基准盒子上，从通话状态挂机：
谢谢楼主分享论坛有你更精彩 好的实践 这个一定要顶，改天有空时我也搭一个测试一下！ 不错不错，早上来顶一个 楼主应该先做1000倍放大的，方便用你的信号源进行系统增益标定。了解系统的准确度
不错不错，早上来顶一个 进来学习。 早上来顶一个 动手实践是最好的学习途径 連接到基準等的時候1meg電阻噪聲,將會和輸入電容容抗"分壓"．顯然來源通常是低阻的．
倒是兩個10k電阻噪聲沒考慮
vpp噪聲相加同樣遵循平方和再平方根 本帖最后由 qqwintian 于 2014-12-7 14:14 编辑
问题是，你的设计带宽是多少？这个竟然没有看出来？
看波特图是0.1~10Hz？
这个我也在做，我的设计目标是也是0.1~10Hz，噪声在1nV/sqrtHz以下，无粉红噪声。这样这个区域内的噪声是20nVpp左右
前段时间光仿真了，然后就去做了别的事情~
做了分段滤波器，看样子最高带宽200MHz~哪天回头接着做，把它实现
有个问题没看明白：
为什么测试系统性能的时候示波器用直流耦合，而测试基准的时候都用交流耦合呢？
发烧级玩家,是我这个维修匠学习的榜样. 哇，有时间，不错!
楼主你知道怎么做一个高压探头么？虽然示波器自带的探头可以测试300V的高压，但是对于探头还是不好的，如果能做一个高压探头的话就能保护原来的探头了。 本帖最后由 04102 于 2014-12-7 19:04 编辑
thy888 发表于 2014-12-7 08:59
楼主应该先做1000倍放大的，方便用你的信号源进行系统增益标定。了解系统的准确度
唐老师您好，感谢您提出的宝贵意见，今天下午尝试做了放大倍数校准的试验。
首先是野路子，对信号进行衰减，-40db，好在频率很低，所以问题应该不大。
千分之一、25ppm/℃贴片，万用板焊接，裹热缩管、屏蔽，接地，再热缩管包起来：
接下来是对这个-40db野衰减器进行测试：
1V → 10mV：
-1V → -10mV：
10V → 100mV：
-10V → -100mV：
DC信号下，1‰精度是有的，下来走一下波形：
方波10Vpp → 100mV ， 1MHz：
示波器显示103mVpp avg
正弦10Vpp → 100mV ， 1MHz：
示波器显示101mVpp avg
源的输出精度2%、示波器垂直精度3%，野衰减器看起来效果还行。
下面用这个野衰减器对放大器的倍数进行校正。
先用源给一5Hz 500μVpp(衰减后)正弦，放大80db，在示波器上读数：
4.26Vpp avg，实际是78.59db，仿真在5Hz为79.6db，可能是器件的误差造成。
焊电位器上去吧：
调整后，再进行测试：
信号源1Hz 500μVpp正弦放大80db倍数校正后：
avg 4.98Vpp，9960x
信号源2.5Hz 500μVpp正弦放大80db倍数校正后：
avg 4.99Vpp 9980x
信号源5Hz 500μVpp正弦放大80db倍数校正后：
avg 4.97Vpp 9940x
信号源7.5Hz 500μVpp正弦放大80db倍数校正后：
avg 4.79Vpp 9580x
信号源10Hz 500μVpp正弦放大80db倍数校正后：
avg 4.61Vpp 9220x
调整放大倍数后，可以明显看到电路频响的缺陷，放大倍数明显降。
再来测昨晚测的4xLM399基准的噪声：
37.2mVpp，比昨晚大了那么一点点。
写到这里貌似差不多要结束了。
最后，在这过程中观察到了工频噪声，在排查了线、悬空输入端、屏蔽不严等等情况后，确定为信号源自身的工频噪声。
给大家看看信号源输出的工频噪声：）
信号源输出2Hz正弦50μVpp(衰减后)，放大80db倍数未校正，波形如上图
输出信号幅值低的时候，它自己工频噪声的影响就非常明显，输出信号幅值大了，这个噪声也就被盖住了。
放大看看细节，2格，200mVpp，这是在倍数只放大倍数未校正时候测的，又是50Hz，按仿真的4000倍回推，为50μVpp 本帖最后由 04102 于 2014-12-7 19:35 编辑
kixz 发表于 2014-12-7 11:43
連接到基準等的時候1meg電阻噪聲,將會和輸入電容容抗"分壓"．顯然來源通常是低阻的．
倒是兩個10k電阻噪聲 ...
电容拼起来之后用手持简易电桥进行了测试，10kHz下有9点几μF，ESR在0.2Ω以下，可以认为很适合做这个
两只10k电阻的噪声会被1M的噪声完全淹没：）
感谢分享计算细节！
本帖最后由 04102 于 2014-12-7 20:00 编辑
qqwintian 发表于 2014-12-7 14:08
问题是，你的设计带宽是多少？这个竟然没有看出来？
看波特图是0.1~10Hz？
我的目标是0.1~10Hz没错
期待您的DIY~~~~~：）
本帖最后由 04102 于 2014-12-7 21:10 编辑
tjsheep 发表于 2014-12-7 14:38
、那么问题来了，低噪声运放哪家强？
AD797在0.1~10Hz下典型50nVp-p电压输入噪声，电流噪声2pA/√Hz，折到1MΩ上，为63.2μVp-p
LT1028在0.1~10Hz下最大75nVp-p电压输入噪声，电流噪声12pA/√Hz，折到1MΩ上，为379μVp-p
OPA627在0.1~10Hz下最大0.8μVp-p电压输入噪声，电流噪声48fAp-p，折到1MΩ上，为48nVp-p
以这样看来，在这样的电路下，用OPA627是合适的。
LTC6655规格书中的那个噪声测量电路要厉害得多得多，但是小弟还没有精力/能力仔细分析那个。
本帖最后由 04102 于 2014-12-7 19:54 编辑
archwang 发表于 2014-12-7 14:58
有个问题没看明白：
为什么测试系统性能的时候示波器用直流耦合，而测试基准的时候都用交流耦合呢？
因为示波器无法在如此低频下正常耦合：） 本帖最后由 JackFrost 于 2014-12-7 20:22 编辑
{:142_364:}这帖子真不错，详尽的测试图分析，看着过瘾，哈哈，这类帖子越多越好。看来是得让楼主多宅宅才行啊{:142_369:}
前段时间我也是打算DIY个放大器，想弄2个用来观察噪声，一个是0.1~10HZ，另一个是10HZ~100KHZ(或者到1MHZ)，配合示波器观察，或者ADC数据采集分析，用FFT分析这类就可以得出各种所需的数据了。跟你类似的打算是用手头上现有的OPA637BP来做，输入电容所幸我有几个22uF的MKT 大块头电容，漏电还没测，不过MKT这类应该也不差吧，这样输入电阻就可以用的比较小了。电路仿真什么的都弄好了，然后还没动手又移情别恋又玩别的去了，呵呵，看了你的帖子，又有拿起洞洞板和烙铁的冲动了{:142_369:}
楼主的信号发生器跟我的一样DS1022U，我也是发现这个问题就是小信号时的干扰噪音问题，我在翻墙查资料的时候偶尔发现国外也有个DS1022U的用户，他拆解机器后发现是普源硬件上的问题，确切的是输出缓冲放大电路这部分PCB布线有问题，他处理了PCB走线后，大大降低了这个噪音问题。
另外，顺便问下关于楼主的9V锂电，用着如何？有测过容量吗，780mAh啊，貌似很强啊，我手头的几块品胜镍氢的只有200mAh，还有块磷酸铁锂的次时代是220mAh，都是五六年前买的，真是日新月异啊，发展真快，现在780mAh了{:142_372:} 04102 发表于 2014-12-7 19:26
AD797在0.1~10Hz下典型50nVp-p电压输入噪声，电流噪声2pA/√Hz，折到1MΩ上，为63.2μVp-p
LT1028在0.1~ ...
An124 使用 1300uf 的钽电容，因此输入电阻只有 1.2K，噪声应该就比较低，你用 10uf 和 1M {:139_281:} 不过这个电容不好找。
btw. 我的 9211 输入电阻也是 1 兆，40s 的本底噪声可真大 {:139_284:}
04102 发表于 2014-12-7 19:27
因为示波器无法在如此低频下正常耦合：）
交流耦合不就是高通滤波么？
那么这个高通的截止频率是多少？对于0.1～10Hz的测试是否得当？
04102 发表于 2014-12-7 19:27
因为示波器无法在如此低频下正常耦合：）
我刚查过DS1074Z的使用手册，第17章技术参数中有：“低频响应（交流耦合，-3dB）<=5Hz（在BNC上）”。您对这个参数怎么看？
lilith 发表于 2014-12-7 20:22
An124 使用 1300uf 的钽电容，因此输入电阻只有 1.2K，噪声应该就比较低，你用 10uf 和 1M ...
靠谱的方法应该就是AN124了吧。。。我这个路子各种野{:139_280:}
钽电容漏电小吗？我没测过，CBB、薄膜类体积大，np0容量太小。。您有什么推荐的吗？
archwang 发表于 2014-12-7 21:22
我刚查过DS1074Z的使用手册，第17章技术参数中有：“低频响应（交流耦合，-3dB）
您对这个现象怎么看？
04102 发表于 2014-12-7 21:25
您对这个现象怎么看？
微分电路，方波中的低频分量被衰减。
您认为这种衰减不会影响0.1～10Hz Vpp的测试结果么？
archwang 发表于 2014-12-7 21:39
微分电路，方波中的低频分量被衰减。
您认为这种衰减不会影响0.1～10Hz Vpp的测试结果么？
之前我以为问题不大，只是方波中的高频分量被衰减，
刚才经您提醒，测试了一下正弦波的10Hz到0.1Hz扫频，
30mVp-p，10Hz下还行，频率再低，它就萎了。
看来示波器AC耦合是没法在这个场合用了，我还是老老实实的调offset吧
感谢archwang哥的提醒！{:139_282:}
JackFrost 发表于 2014-12-7 20:21
这帖子真不错，详尽的测试图分析，看着过瘾，哈哈，这类帖子越多越好。看来是得让楼主多宅宅才 ...
暂还没有打磨DG1022U的计划，
薄膜电容应该都够干这个事儿，
这俩电池是淘宝买的，就是为了做这个玩意{:139_279:}
挺便宜的，应噶达不到这个容量吧，个人觉得，没测过
lilith 发表于 2014-12-7 20:22
An124 使用 1300uf 的钽电容，因此输入电阻只有 1.2K，噪声应该就比较低，你用 10uf 和 1M ...
您这个才4μVp-p，线条清亮，感觉靠谱。
新发现我不靠谱地用了AC耦合测量低频信号了，以上帖子数据有可能大部分不靠谱。。。。。
等过阵子加offset电路、示波器DC耦合，再重测
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