Jump to content
    

Минимальная плотность шумов ОУ по напряжению или по току: какой из режимов приведет к минимуму шумов схемы?

Задача получить минимальный шум при коротком замыкании входа вот такой схемы (рисунок ниже)

Операционник может работать в двух режимах: Low Power Mode и Full Power Mode. В Low у него плотность шумов по напряжению больше, а плотность шумов по току меньше, чем в Full Power.

А в Full Power наоборот: плотность шумов по напряжению меньше, зато по току больше чем в Low Power.

 

Натурные испытания показали, что в "Full Power Mode" измеряемый RMS шум в микровольтах (выход АЦП) больше, чем при работе в Low Power Mode. То есть при минимизации шумов ОУ по току эффект больше, чем при минимизации шумов по напряжению?  Это можно объяснить с точки зрения теории?

 

 

image.thumb.png.6d033c18bb39633ec85615f166ffd68c.png

 

 

Share this post


Link to post
Share on other sites

Надо бы считать. Там же токовый шум умножается на ваши 10кОм и превращается в шум напряжения. И может оказаться что шум токовый даёт больший вклад с выходной шум. И как следствие уменьшение шума по напряжению который итак мало присутствует на выходе не даёт ничего. А вот возросший токовый шум увеличивает выходной ещё больше.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Смысл расчета схемы состоит в усилении энергии источника сигнала и созданию условия максимального соотношения мощности сигнала на выходе к мощности шума - это условие рекомендуется ставить с самого начала работы. По схеме же источник сигнала не показан вообще, нагружен на резистор 1М+1М=2М и эквивалентное сопротивление неинвертирующих входов ОУ, что приводит к полной неопределённости по коэффициентам согласования по полезному сигналу, например.

Параллельная работа двух ОУ на входе интересна только теоретически - максимально симметричная схема согласованной по шумам пары транзисторов по коэффициенту подавления определённого вида помех заведомо лучше приводимой ТС, что достаточно подробно описывается в ТУ на них. 

Начинать нужно с экспериментальной проверки характеристик источника сигнала, что даст исходные цифры номиналов нагрузки, обеспечивающей максимальный коэффициент передачи энергии с него на входные цепи усилителя.

Процедура "минимизации шумов" по "току" или по "напряжению" не имеет смысла - в любом варианте рассчитываются коэффициенты связанные с мощностью... 

Share this post


Link to post
Share on other sites

Спасибо за ответы, навели на мысль еще раз подумать о причинах результатов измерений.

Похоже, что вопрос был некорректный: Я увидел  разницу в графиках для шумов тока/напряжения от выбранного режима и решил что это причина. И что нужно оптимизировать шумы, например, тока, потому что они вносят бОльший вклад в результат при моих номиналах и эта главная причина. Но, думаю, дело не только в этом.

Проблемный для меня диапазон частот (где хочу улучшить результаты): 0.01-0.2 Hz. И в моем случае важным становится параметр "Integrated voltage noise", который в Low Power Mode сильно лучше. А все рекомендации и апноты по этому усилителю ставят акцент на более высоких частотах, где "Full Power Mode" дает лучшие результаты.

 

image.thumb.png.1de6d17df24a3b01339c9926202df17f.png

 

Ну и да. подумаю про схему. Номиналы поменять и шум поменяется- уже сделал, уменьшение сопротивлений в 10 раз предсказуемо уменьшило итоговые шумы, в том числе и в нужной мне области частот. И Low Power все еще лучше.

Share this post


Link to post
Share on other sites

В 29.06.2022 в 10:20, Ruslan1 сказал:

Проблемный для меня диапазон частот (где хочу улучшить результаты): 0.01-0.2 Hz

На этом участке уровень шума (фликкер) не зависит от обратных связей и определяется самим усилителем, режимом его работы Full/Low Power. В такой ситуации - или менять сам усилитель, или параллелить несколько 2/4/8, соответственно с выигрышем 3/6/9дБ по напряжению шума.

Для участка 0.01Гц и ниже возможно потребуется термостабилизировать схему.

Share this post


Link to post
Share on other sites

немного околооффтопа

обычно токовую плотность шума указывают на небольшой частоте, типа килогерцев и на низкой частоте с частотой среза для 1/f шумов, и что растёт плотность только в сторону уменьшения частоты.

для опа858 есть такой график (слева, c криво наложенным в том же масштабе красной линией от ada4945, оригинал справа), это так себя только полевые ОУ ведут, а когда входные токи десятки мка, то они шуметь перестают с ростом частоты?

image.thumb.png.ff9bc1a64b7fa079883204da12d863f2.png

и если я захочу какие-нибудь пикоамперы с фотодиода в узкой полосе, но на большой частоте ~1ГГц измерять, то вместо полевого опа858 надо брать его биполярного собрата опа855, и он, не смотря на свои микроамперные (вместо пикоамперных) входные токи шуметь по току получается меньше будет, как так?

image.thumb.png.bfe5065dae3fa0c13cd9101225da1d39.png

 

Share this post


Link to post
Share on other sites

On 6/28/2022 at 4:45 PM, MegaVolt said:

Там же токовый шум умножается на ваши 10кОм и превращается в шум напряжения.

Даже если токовый шум последующего каскада (усилителя) исчезающе мал (например, он с JFET-входом), то тепловой шум самих резисторов никуда не девается. Т.к. входные ОУ имеют Кус=1, то шум этих резисторов приводится ко входу без перерасчёта. Итак, 10 кОм шумят по 12,7 нВ/^Гц. Сравните с 1...5 нВ у хороших современных ОУ, применяемых в подобных схемах. Естественно, в данном случае (ADA4945 имеет вход на биполярных тр-рах) следует прибавить (по квадратичному закону) упоминаемую Вами добавку в виде "токовый шум ADA4945 * R". Как результат, получаем значительное ухудшение шумового потенциала как входных ОУ, так и последующего диф.приёмника. Короче, эта топология, кмк, малоподходящая для задач ТС. Либо стоит раз в 10...30 уменьшить сопротивления резисторов обвязки.

Впрочем, упомянутый ТС-ом кз входа - явно не рабочий режим, поэтому тут будет иметь значение реальный импеданс источника сигнала. Может так оказаться, что он намного больше этих "злосчастных" 10 кОм, поэтому Кш сильно и не ухудшится.

 

Глобально: любой резистор, последовательно включённый с источником сигнала, является неустранимым источником шума. (Повторю, в данном случае Кус_входных_ОУ=1, поэтому эти R на эквивалентной схеме включаются последовательно с источником сигнала). В малошумящих схемах следует избегать применения последовательных высокоомных резисторов. Считайте их тепловой шум и сранивайте c шумом R источника и с даташитными шумовыми параметрами ваших ОУ /усилителей - тут сразу и станет ясно, что же является слабым звеном.

 

Кстати, даже у таких супермалошумящих инструментальных усилителей, как INA103, приведённое ко входу напряжени шума тем больше, чем ниже Кус - всё из-за этих последовательных резисторов (там 6 кОм). Ну, ещё и из-за неважных шумовых параметров дифусилителя (2-го каскада), шум которого проявляется тем больше, чем меньше Кус (G). См график:

 

INA103.png

 

 

Edited by Tuvalu

Share this post


Link to post
Share on other sites

On 6/29/2022 at 10:20 AM, Ruslan1 said:

Проблемный для меня диапазон частот (где хочу улучшить результаты): 0.01-0.2 Hz.

 

Вот только сейчас обратил на это внимание. На таких низких частотах будет тотально доминировать фликкер-шум как входных ОУ, так и дифприёмника. Я бы сделал и то, и другое на т.н. Zero Drift Op Amps, у них, как раз, очень малый ИНЧ-шум. Полный инструментальный усилитель (т.е. диф на входе/диф на выходе) можно собрать на 4-х ОУ по схеме Double Balanced Microphone Amplifier мистера Graeme Cohen http://leonaudio.biz/cohen.htm. Это просто инструментальный усилитель, в котором второй каскад (разностный усилитель) выполнен на 2-х ОУ по симметричной схеме. Входные транзисторы в вашем случае не нужны, т.к. они просто внесут большой ИНЧ-шум. Хорошие типы таких ОУ - ADA4522-1,-2,-4, 4523, OPA189/2189/4189, OPA188/2188. В даташите ADA4522 приведён большой список Zero Drift Op Amps на любой вкус. Да и нагуглить можно, многие фирмы их производят.

Edited by Tuvalu

Share this post


Link to post
Share on other sites

Когда шум действиельно важен, то в документации рисуют noise contour двумерный. Вот например от SRS SR560

NoiseFig.jpg

Share this post


Link to post
Share on other sites

On 7/19/2022 at 1:08 PM, khach said:

Когда шум действиельно важен, то в документации рисуют noise contour двумерный.

ТС озвучил условие - мин. шум при кз входа (source resistance = 0), так что, подобные графики избыточны. При таком условии решающую роль играет только напряжение шума, эти данные имеются в даташитах на ОУ.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Отказался от ADA4945 (дефицит и дорого), собрал его аналог на 'обычных' ОУ и изменил схему для честного биполярного входа и двуполярного питания. Посмотрю на реальной плате когда сделают.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Join the conversation

You can post now and register later. If you have an account, sign in now to post with your account.

Guest
Reply to this topic...

×   Pasted as rich text.   Paste as plain text instead

  Only 75 emoji are allowed.

×   Your link has been automatically embedded.   Display as a link instead

×   Your previous content has been restored.   Clear editor

×   You cannot paste images directly. Upload or insert images from URL.

×
×
  • Create New...