[rloc 51]

Как я понял методики измерения шумов могут быть разные:

Bipolar Junction Transistor 1/f Noise Simulation and Parameter Extraction Technique

 

[Alexashka 0]

Появилось время отписаться. Итак что сделано: немного изменил схему (см.приложенный рисунок, на схеме не показаны 2 аттенюатора по 40дб на входе, привел полностью схему на всякий случай). Т.е нагрузил транзисторный каскад такимже малошумящим источником тока (усиление транзисторного каскада стало несколько тысяч), усиление ОУ уменьшил (впринципе теперь достаточно даже повторителя). Целью этого было проверка снижения шумов при увеличении тока коллектора до 0,6мА..1мА (что с резистором в коллекторе было проблематично получить).

Как видно из схемы, ВЧ коррекция в каскаде BJT+ОУ вообще отсутствует, и нет никаких следов автоколебаний. А учитывая GBWP=5МГц у ОУ и малое усиление предполагается, что в полосе до 360Гц он не вносит сколь нибудь значимого фазового сдвига, и, соответственно, не может увеличивать собственные шумы усилителя.

Получено на выходе О9 1В п-п сигнал при входном сигнале 23мВ и шумы 10мВ эфф. Если сравнить с предыдущими результами (сигнал 1,37В п-п и шумы 14мВ эфф.) видим, что отношение С/Ш не изменилось.

 

Пробовал заменить входной транзистор на BC850B (со слов многих авторов весьма малошумящий), усиление упало % на 20 и шумы увеличились, в целом С/Ш увеличился примерно в 1,5раза.

 

Также проверил гипотезу о том, что мощные (ключевые) биполярники работают лучше чем малошощные-малошумящие :) Для этого поставил на входе MJE13007 (по совету автора статьи кот.тут приводилась выше).

Схему с активной нагрузкой разобрал чтобы не складывать шумы MJE13007 и 2SA970 в коллекторе. Т.е вернул схему как в посте #51, тока пришлось уменьшить номиналы R501, R497, R502 для обеспечения нормального смещения транзюка. И R481 =5,1кОм. Ток коллектора составил 0,35мА.

Получил шумы 9,8мв эфф. и сигнал 1,33В п-п. Т.е С/Ш уменьшился на треть.

В предположении что это было следствием изменившихся параметров усилителя отпаял MJE13007 и припаял обратно 2SC2240. Получил все теже шумы 14,5мВ эфф. и сигнал 1,32В п-п!

И какбы по сравнению с MJE13007 шумы теперь увеличились в 1,5 раза :)

 

 

Итак подытоживая...

1) Шумы каскада не зависят от режима работы по постоянному току -при изменении напруги на коллекторе или коллекторного тока в некоторых приделах. При значительном уменьшении тока коллектора (менее 100мкА) заметно некоторое увеличение шумов. Возможно схема с активной нагрузкой не дает преимущества так как шумы обоих транзисторов складываются?

2) Шумы мощного-ключевого транзистора меньше, чем у хорошего-малошумящего-маломощного. Примерно 1,5нВ/sqrt(Гц), но всеже не опускаются до заветной границы 1нВ, как у OP797 :angry2:

3) Получить приведенный шум близкий к тому, что получен у автора статьи http://www.beis.de/Elektronik/LNPreAmp/LNPreAmp.html не удалось, возможно причны в том, что у него Ic=4mA а не 0,4 как у меня. И еще я обратил внимание, цепочка С5-R10 в его схеме образует ФВЧ с частотой среза 160Гц. Т.е фликкер-шум он практически весь гасит благодаря 100% отрицательной ОС!

 

 

Как я понял методики измерения шумов могут быть разные:

Bipolar Junction Transistor 1/f Noise Simulation and Parameter Extraction Technique

Ага, заметили кстати, моя схема один в один совпадает с той, что он предложил как самую удачную :)

зы.про схему с запиткой в эмиттер у него не понял- что это за эффект "драмматического снижения шумов"?

 

Ну в целом я доволен результатом, схема малочувствительна к разбросу параметров элементов и температурным изменениям, и у нее неплохие показатели линейности. Один минус- входное сопротивление у нее около 50 Ом, а мне бы его надо увеличить до 1кОм. Пытался дополнительно ввести ОС в эмиттер, чтобы увеличить входное сопротивление, но температурный дрейф растет дико.

[rloc 51]

Пробовал заменить входной транзистор на BC850B (со слов многих авторов весьма малошумящий), усиление упало % на 20 и шумы увеличились, в целом С/Ш увеличился примерно в 1,5раза.

Встречал недовольных пользователей, но количественного подтверждения не видел, похоже фликкер шумы не такие маленькие.

 

Также проверил гипотезу о том, что мощные (ключевые) биполярники работают лучше чем малошощные-малошумящие :) Для этого поставил на входе MJE13007 (по совету автора статьи кот.тут приводилась выше).

Габариты бы поменьше найти, интересно а как бы повели себя сверхвысокочастотные транзисторы, те которые обычно используют в ГУН-ах спутниковых тюнеров и малошумящих кварцевых генераторах.

2) Шумы мощного-ключевого транзистора меньше, чем у хорошего-малошумящего-маломощного. Примерно 1,5нВ/sqrt(Гц), но всеже не опускаются до заветной границы 1нВ, как у OP797 :angry2:

Вы считаете интегрально, у AD797 - 1nV/sqrtHz без фликкер шумов, так что может быть с транзистором и лучше.

Ну в целом я доволен результатом, схема малочувствительна к разбросу параметров элементов и температурным изменениям, и у нее неплохие показатели линейности. Один минус- входное сопротивление у нее около 50 Ом, а мне бы его надо увеличить до 1кОм. Пытался дополнительно ввести ОС в эмиттер, чтобы увеличить входное сопротивление, но температурный дрейф растет дико.

Ранее вы уже пробовали использовать диод в базовой цепи. Не помогает?

[rudy_b 1]

Я, обычно, использую что-то вроде этой схемы. Это набросок, не конкретные детали, просто структура, хоть и работает. Попробуй по своей методе посчитать шумы поставив свои детали и режимы. Нижняя граница полосы пропускания - менее 3 Гц.

[rloc 51]

Я, обычно, использую что-то вроде этой схемы.

Ой, не читали вы предыдущих постов. Такая схема уже многократно рассматривалась. Ее еще нужно, как минимум, привести к однополярному питанию и компенсировать уход по температуре.

[rudy_b 1]

Ой, не читали вы предыдущих постов. Такая схема уже многократно рассматривалась. Ее еще нужно, как минимум, привести к однополярному питанию и компенсировать уход по температуре.

Читал, но со многим не согласен, а спорить лениво, очень со многим разбираться прийдеться.

Эта схема - с однополярным питанием, и симуляшка дает на ней 0.7 нВ/Sqrt(Гц) в районе 10 Гц, правда, возможно, без фликкера, хотя в моделях транзистора и опера фликкер вроде есть, непонятно насколько честный. Температурный уход в ней отслеживается опером. А с сопротивлением источника 50 Ом, общий входной шум - порядка 1.1 нВ/Sqrt(Гц).

 

Просто интересно посмотреть, какой шум получит на ней Alexashka по своей методике.

По рачету, при сопротивлении источника 600 ом, общий шум на входе - 3.33 нВ/Sqrt(Гц), резистор дает 3.12 нВ/Sqrt(Гц), т.е. сама схема добавляет 1.2 нВ/Sqrt(Гц).

 

Кстати, у AD797 на 10 Гц шум 1.7 нВ/Sqrt(Гц), против 0.9 на 1 кГц.

[Alexashka 0]

симуляшка дает на ней 0.7 нВ/Sqrt(Гц) в районе 10 Гц, правда, возможно, без фликкера, хотя в моделях транзистора и опера фликкер вроде есть, непонятно насколько честный. Температурный уход в ней отслеживается опером. А с сопротивлением источника 50 Ом, общий входной шум - порядка 1.1 нВ/Sqrt(Гц).

Вы можете привести модель транзистора которая используется? Интересно сравнить с тем что у меня в микрокапе.

А темп.уход сдесь будет равен уходу транзистора (если dT=100*C, то это примерно 200мВ), умноженному на усиление по постоянке (10), итого около 2В. Это многовато для 3-вольтового питания :) да и для 5-вольтового тоже.

Плюс моя цель была обеспечить входной импеданс усилителя =1кОм (желательно стабильный в полосе частот и температур и с возможностью регулировки), дабы обеспечить необходимое демпфирование датчика, не теряя при этом генерируемую им энергию впустую. Производитель рекомендует просто нагружать датчик резистором 1кОм, но это выглядит кощунством когда мы выцарапываем нанавольты полезного сигнала на фоне шумов.

Просто интересно посмотреть, какой шум получит на ней Alexashka по своей методике.

По рачету, при сопротивлении источника 600 ом, общий шум на входе - 3.33 нВ/Sqrt(Гц), резистор дает 3.12 нВ/Sqrt(Гц), т.е. сама схема добавляет 1.2 нВ/Sqrt(Гц).

 

Кстати, у AD797 на 10 Гц шум 1.7 нВ/Sqrt(Гц), против 0.9 на 1 кГц.

Вроде все правильно говорите. Только щас у меня импеданс 50 Ом (выход генератора и децибельников), так проще работать и получается что основной вклад в шумы дает всетаки усилитель (50 Ом шумит как 0,9нВ/sqrt(Гц), а усилок у меня пока максимум что показал это 1,5нВ).

Хммм...щас пересчитал еще раз этот результат, я ведь не вычитал шумы источника! Выходит у меня коэф.шума стал (1,5нВ/0.9нВ)^2 =2,78, что эквивалентно спектральной плотности шума самого усилителя 1,2нВ/sqrt(Гц). Во! совсем близко к 1нВ!

Кстати если верить даташиту на транзистор bc107a у него NF=2 при Rgen=2кОм. А это дает чистых шумов самого усилителя 4,4нВ/sqrt(Гц). Какже симулятор мог выдать 0,7нВ? :05:

[rudy_b 1]

Вы можете привести модель транзистора которая используется? Интересно сравнить с тем что у меня в микрокапе.

Вот текст, но это Orcad. KF и AF не заданы, т.е. используются значения по умолчанию. А поскольку по умолчанию KF=0, то, фликкер не учитывается. Я просто вижу его отсутствие по частотной характеристике. Сам не понял, почему думал, что фликкер транзистора учитывается, наверно не на то посмотрел. Вот в опере он точно есть.

.model BC107A NPN(Is=7.049f Xti=3 Eg=1.11 Vaf=116.3 Bf=375.5 Ise=7.049f

+ Ne=1.281 Ikf=4.589 Nk=.5 Xtb=1.5 Br=2.611 Isc=121.7p Nc=1.865

+ Ikr=5.313 Rc=1.464 Cjc=5.38p Mjc=.329 Vjc=.6218 Fc=.5 Cje=11.5p

+ Mje=.2717 Vje=.5 Tr=10n Tf=451p Itf=6.194 Xtf=17.43 Vtf=10)

* PHILIPS pid=bc107a case=TO18

* 91-08-02 dsq

 

А темп.уход сдесь будет равен уходу транзистора (если dT=100*C, то это примерно 200мВ), умноженному на усиление по постоянке (10), итого около 2В. Это многовато для 3-вольтового питания :) да и для 5-вольтового тоже.

Это крайне легко лечится, резистор R5 меняется на 1 кОм, а промежуточное питание увеличивается с 3 до 5 В (чтобы сохранить около 2 В на транзисторе, если не нужно - можно оставить). Кстати, для полосы чуть больше 3 Гц достаточно конденсатора 4700.

 

Плюс моя цель была обеспечить входной импеданс усилителя =1кОм (желательно стабильный в полосе частот и температур и с возможностью регулировки), дабы обеспечить необходимое демпфирование датчика, не теряя при этом генерируемую им энергию впустую. Производитель рекомендует просто нагружать датчик резистором 1кОм, но это выглядит кощунством когда мы выцарапываем нанавольты полезного сигнала на фоне шумов.

Это уже сложнее. Правильно было бы убрать ОС и подогнать входное сопротивление базовым током, но тогда начнутся искажения. Зато получится минимально возможный шум. Тут хорошенько подумать нужно. В вашей схеме это тоже нормально не получится - разброс транзисторов и большое изменение коэффициента усиления по току в столь широком температурном диапазоне будут сильно менять входное сопротивление схемы.

 

Вроде все правильно говорите. Только щас у меня импеданс 50 Ом (выход генератора и децибельников), так проще работать

Это плохо, при этом не учитывается токовый шум, который на штатном датчике (600 ом, если правильно помню) заметно увеличит шум.

 

Кстати если верить даташиту на транзистор bc107a у него NF=2 при Rgen=2кОм. А это дает чистых шумов самого усилителя 4,4нВ/sqrt(Гц). Какже симулятор мог выдать 0,7нВ? :05:

Это, как раз, вполне возможно, просто модель транзистора барахло, учитываются только шум сопротивлений и статистика. Даже в даташите Philips про шум сказано < 10 дб, что говорить о модели. Нормальные по шумам модели - редкость. В библиотеке Orcada только у пары транзисторов есть фликкер, да и то, похоже, с потолка, специально посмотрел.

 

Вы сравните свою модель с этой и выложите ваш вариант, если они различны, поглядим. Я не предлагаю использовать именно этот транзистор, как раз интересно посмотреть что получится на тех, которые вы испытывали. Эта схема - просто для примера, эмиттерная связь, обычно, дает минимальный шум. И, независимо от качества модели, на симуляшке удобно сравнивать шумы разных способов включения.

[Alexashka 0]

Габариты бы поменьше найти, интересно а как бы повели себя сверхвысокочастотные транзисторы, те которые обычно используют в ГУН-ах спутниковых тюнеров и малошумящих кварцевых генераторах.

Да щас на такие токи есть и в меньших корпусах, типа SOT-223.

С СВЧ думаю будет хуже, у них частота фликер шума выше, т.к они ориентированы для работы на частотах гораздо выше звуковых.

 

Вы считаете интегрально, у AD797 - 1nV/sqrtHz без фликкер шумов, так что может быть с транзистором и лучше.

 

Ранее вы уже пробовали использовать диод в базовой цепи. Не помогает?

Ну вообщето да :)

А с диодом -хотелось бы вообще его выкинуть, так сказать со 100% ООС по постоянке.

[Alexashka 0]

Вот текст, но это Orcad. KF и AF не заданы

....

Это крайне легко лечится, резистор R5 меняется на 1 кОм, а промежуточное питание увеличивается с 3 до 5 В (чтобы сохранить около 2 В на транзисторе, если не нужно - можно оставить). Кстати, для полосы чуть больше 3 Гц достаточно конденсатора 4700.

.....

Это уже сложнее. Правильно было бы убрать ОС и подогнать входное сопротивление базовым током, но тогда начнутся искажения. Зато получится минимально возможный шум. Тут хорошенько подумать нужно. В вашей схеме это тоже нормально не получится - разброс транзисторов и большое изменение коэффициента усиления по току в столь широком температурном диапазоне будут сильно менять входное сопротивление схемы.

....

Это плохо, при этом не учитывается токовый шум, который на штатном датчике (600 ом, если правильно помню) заметно увеличит шум.

....

Вы сравните свою модель с этой и выложите ваш вариант, если они различны, поглядим. Я не предлагаю использовать именно этот транзистор, как раз интересно посмотреть что получится на тех, которые вы испытывали. Эта схема - просто для примера, эмиттерная связь, обычно, дает минимальный шум. И, независимо от качества модели, на симуляшке удобно сравнивать шумы разных способов включения.

Вот моя модель из Микрокапа: (отличия практически во всех параметрах!)

Фликер тоже не прописан, по симуляции (в моей схеме) BC107A дает чуток меньше приведенный шум, чем 2SC2240

....

Это да, но 4700мк...тут писали, что электролит сам по себе шумит (утечки), а на холоде (-40) емкость/внутр.сопротивление упадет/увеличится. Если только какойто полимерный кондер поставить, но опять же, размеры.

....

Я то рассуждал как: эмиттерной ОС мы задаем усиление всего каскада (BJT+OPAMP), скажем 100. А потом базовой ОС делаем нужное нам входное сопротивление (эту ОС уже нужно брать инвертированной относительно эмиттерной ОС), т.е если базовое сопротивление 100к и усиление=100, то это будет эквивалентно входному 100к/100=1к сопротивлению. Как Вам такая идея?

....

думаю токового шума можно не опасаться, если судить по Noise Figure для данного транзистора, 3дБ на 300мкА выскакивает тока на 10кОмах. Значения Rgen в промежутке между 140 Ом и 10 кОм дадут NF меньше 3дБ. Т.е с источником 600 Ом все будет проще.

У меня-то была мысль сделать универсальный усилитель, как говорится на все случаи жизни, тем более, что в будущем планируем сделать свой геофон с низкоомной обмоткой. Вот тут уже усилку придется поднапрячься изо всех сил!

....

А почему связь по эмиттеру дает минимальный шум?

[rudy_b 1]

Вот моя модель из Микрокапа:...

А нельзя тестовым редактором из .lbr текст вынуть? Я бы просто всадил в свою симуляшку и сравнил. Ну, или, из какого другого файла - если вставка "чужих" моделей предусморена, то текст где-то должен быть. А то лениво с экрана вбивать, да и ошибок будет...

 

Это да, но 4700мк...тут писали, что электролит сам по себе шумит (утечки), а на холоде (-40) емкость/внутр.сопротивление упадет/увеличится. Если только какойто полимерный кондер поставить, но опять же, размеры.

Нет, электролит, практически, не шумит. Т.е. он имеет шум тока утечки, но этот шум коротится его импедансом, а это десятые и сотые ома (кроме низкочастотной границы), поэтому, практически, не влияет. Но это легко проверить - заменить его на управляемый малошумящий источник, подогнать ручками нужное напряжение и измерить шум.

А температурное изменение емкости лишь сдвинет нижнюю границу полосы пропускания - сделать ее с запасом, а точную величину определить фильтром в последующих каскадах - все равно верхнюю границу тоже нужно задавать.

 

Я то рассуждал как: эмиттерной ОС мы задаем усиление всего каскада (BJT+OPAMP), скажем 100. А потом базовой ОС делаем нужное нам входное сопротивление (эту ОС уже нужно брать инвертированной относительно эмиттерной ОС), т.е если базовое сопротивление 100к и усиление=100, то это будет эквивалентно входному 100к/100=1к сопротивлению. Как Вам такая идея?

Но в коэффициент усиления входит и сам транзистор, а его бета будет меняться в 2-3 раза. Поэтому входное сопротивление и всего каскада (меняется общее усиление) и самого транзистора (температура) тоже будет меняться.

 

Тут есть и еще одна гадость - если общее усиление задается ОС в базу транзистора (а не в эмиттер) то оно начнет зависеть от (реально - определяться) входным сопротивлением источника сигнала - а это весьма неудобно. Поэтому я и предпочитаю ОС в эмиттер.

 

думаю токового шума можно не опасаться, если судить по Noise Figure для данного транзистора, 3дБ на 300мкА выскакивает тока на 10кОмах. Значения Rgen в промежутке между 140 Ом и 10 кОм дадут NF меньше 3дБ. Т.е с источником 600 Ом все будет проще.

Трудно сказать, не верю я паспортным данным, в биполярах токовый шум всегда сильно влияет - хотя-бы чисто статистические флуктуации базового тока. Это лучше посмотреть глазками на реальной схеме - измените сопротивление источника сигнала и сравните шумы.

 

У меня-то была мысль сделать универсальный усилитель, как говорится на все случаи жизни, тем более, что в будущем планируем сделать свой геофон с низкоомной обмоткой. Вот тут уже усилку придется поднапрячься изо всех сил!

А вы уверены что станет лучше? Весь мой опыт показывает что нужно максимально увеличивать число витков обмотки (если это обмотка) или максимально снижать емкость пъеза (если это пъез). А, чтобы не влиял кабель, в сам датчик вставить простейший предусилитель.

 

А почему связь по эмиттеру дает минимальный шум?

А вот тут не могу дать точного ответа, просто так несколько раз получалось. Сильно подозреваю, что в теории шумов что-то не совсем то, но это, к сожалению, только ощущения, руки никогда не доходили тщательно разобраться. Или я сам чего-то недопонимаю.

 

[Alexashka 0]

А нельзя тестовым редактором из .lbr текст вынуть?

...

Нет, электролит, практически, не шумит. Т.е. он имеет шум тока утечки, но этот шум коротится его импедансом, а это десятые и сотые ома (кроме низкочастотной границы), поэтому, практически, не влияет. Но это легко проверить-

...

Но в коэффициент усиления входит и сам транзистор, а его бета будет меняться в 2-3 раза. Поэтому входное сопротивление и всего каскада (меняется общее усиление) и самого транзистора (температура) тоже будет меняться.

...

Тут есть и еще одна гадость - если общее усиление задается ОС в базу транзистора (а не в эмиттер) то оно начнет зависеть от (реально - определяться) входным сопротивлением источника сигнала - а это весьма неудобно. Поэтому я и предпочитаю ОС в эмиттер.

...

Трудно сказать, не верю я паспортным данным, в биполярах токовый шум всегда сильно влияет - хотя-бы чисто статистические флуктуации базового тока. Это лучше посмотреть глазками на реальной схеме - измените сопротивление источника сигнала и сравните шумы.

...

А вы уверены что станет лучше? Весь мой опыт показывает что нужно максимально увеличивать число витков обмотки (если это обмотка) или максимально снижать емкость пъеза (если это пъез). А, чтобы не влиял кабель, в сам датчик вставить простейший предусилитель.

Вот, сгенерил текст, хотя тут параметров меньше, видимо остальные- по умолчанию.

* Z Я

* Converted From Micro Cap Source file to PSPICE

*

Q1 1 2 3 BC107A

*

*** NPN AF transistor

.MODEL BC107A NPN (BF=201.511795 BR=165.146813M CJC=6.117149P CJE=11.82627P

+ IKF=10K IKR=84.490936 IS=10.00035F ISC=4.707919F ISE=1.02365P ITF=9.95368M

+ MJC=361.358643M MJE=673.545063M NE=1.665544 NF=912.846446M RE=2

+ TF=395.633026P TR=10N VAF=106.811111 VJC=949.695349M VJE=1 VTF=10

+ XTF=500.000119M)

*

...

С электролитом понял мысль, проверять не буду- думаю что так и есть :)

...

если петлевое усиление будет порядка 80*80=6400, и усиление каскада задать цепочкой обратной связи на уровне скажем 80, то последнее будет слабо меняться при изменении BF.

...

Есть такое, но именно это позволяет демпфировать механику датчика. А сопротивление катушек имеет очень небольшой разброс (единицы ом).

...

Можно проверить будет, к сожалению с железом я смогу поиграться только через месяц (щас в отпуске :))

Кстати если демпфировать датчик резистором, то выходит входной импеданс источника 600||1000=375 Ом.

...

Согласен, лучше чувствительность датчика поднять, тем более что ЭДС пропорционально числу витков N, а шум только корню из N.

Но как Вы сказали, опятьжешь токовые шумы могут увеличиться :05:

[rloc 51]

С СВЧ думаю будет хуже, у них частота фликер шума выше, т.к они ориентированы для работы на частотах гораздо выше звуковых.

Фликкер шумы у СВЧ тоже низкие, в кварцевых генераторах они модулируют выходной сигнал и добавляют фазовые шумы, поэтому подбирают транзисторы с минимальными шумами всех видов. Возможно придется более внимательно отнестись к конструированию ПП, длины проводников делать минимально возможными, чтобы не получить генератор.

[Alexashka 0]

Фликкер шумы у СВЧ тоже низкие, в кварцевых генераторах они модулируют выходной сигнал и добавляют фазовые шумы, поэтому подбирают транзисторы с минимальными шумами всех видов. Возможно придется более внимательно отнестись к конструированию ПП, длины проводников делать минимально возможными, чтобы не получить генератор.

Можете на вскидку посоветовать какойнить? Из Чип-диповского ассортимента :)

 

[ledum 0]

Можете на вскидку посоветовать какойнить? Из Чип-диповского ассортимента :)

Из недорогих можно попробовать 2SC3356, 2SC3357 и BFG540 - могут гудеть - эмиттер надо хорошо землить по переменке