Усилители, основное предназначение которых - усиление слабых сигналов с минимальными собственными шумами на выходе устройства, называют малошумящими.

Такие усилители обычно используют во входных цепях - радиоприемников, звуковоспроизводящей радиоаппаратуры, например, в микрофонных усилителях, в – устройствах, воспринимающих сигналы от высокочувствительных датчиков, в измерительной и медицинской аппаратуре.

КР538УНЗ (близкий аналог микросхемы LM387N фирмы NSC, с иной цоколевкой) представляет собой сверхмалошумящий низкой частоты, рис. ЗОЛ, табл. 30.1 . Выпускается КР538УНЗ (К538УНЗ) в корпусах трех разновидностей. Ниже приведены примеры использования микросхемы, выполненной в корпусе DIP8.

Рис. ЗОЛ. Типовая включения микросхемы КР538УНЗ

Верхняя частотная граница усиливаемых сигналов при отключении потенциометра R1 (рис. 30.1) достигает 3 МГц. Коэффициент усиления в пределах от 100-350 до 3000 можно плавно регулировать подстройкой этого потенциометра. Одновременно в той же пропорции снижается верхняя граница полосы усиливаемых частот. Рекомендуемое напряжение питания - 6 В (5,0-7,5 В) при токе потребления до 5 мА. Работоспособность микросхемы сохраняется при снижении напряжения питания до 3 В. Максимальное выходное напряжение для разновидности микросхемы с литерой «А» достигает 0,5 В, для «Б» - 0,3 В при выходном токе до 3 мА; нагрузки - 2 кОм. Максимальное входное напряжение - менее 0,2 В. Нормированное напряжение шумов на частоте 1 кГц при сопротивлении источника сигнала до 500 Ом не превышает 2 нВ/Гц~ 0,5 . Коэффициент гармоник при выходном напряжении до 0, 1 В - менее 1,5%.

Рис. 30.2. Упрощенный вариант включения микросхемы КР538УНЗ

Рис. 30.3. Вариант на микросхеме КР538УНЗ

Характеристики на микросхеме КР538УНЗ при варьировании напряжения питания

Таблица 30.1

Параметр

Уровень шума, дБ

Рис. 30.4. малошумящего с цепями частотной коррекции

Рис. 30.5. малошумящего магнитофонного усилителя на микросхеме КР538УНЗ

Максима;1ьно упрощенный вариант включения микросхемы КР538УНЗ приведен на рис. 30.2, рис. 30.3 .

На микросхеме КР538УНЗ с дополнительно встроенными цепями частотной коррекции показана на рис. 30.4.

Малошумящего усилителя портативного магнитофона приведена на рис. 30.5 . Учитывая специфику работы устройств, вместо регулирующего коэффициент усиления потенциометра (R1, рис. 30.1) включен корректирующий (L1C2), настроенный на частоту 12,5 кГц.

Программируемый малошумящий ОУ, предназначенный для применения в бытовой радиоэлектронной аппара-

Как говорится - все гениальное просто. Данный усилитель состоит из минимума деталей, обеспечивая сигналу прохождение через минимум элементов, и тем самым оберегая его от искажений, которые эти элементы могут внести.

Усилитель имеет мощность 500мВт. Расчетный уровень искажений, при применении микросхемы на подобии OPA2134 - 0.001%. Сопротивление нагрузки 32-300 Ом.

На R1 и R2 собран регулятор громкости, точнее это один сдвоенный резистор. По входу стоит бутерброд из конденсаторов 4.7 и 0.47мкФ, позволяющий добиться максимальной линейности. На IC1.1 и IC1.2 собраны инвертирующие усилители с коэффициентом усиления равным 4. Далее Следуют повторители на транзисторах. ООС образуют R6 и R5. R11 и R12 ограничивают ток поступающий с ОУ на базы повторителей, от этого ОУ проще живется, и искажений чуть меньше. R7, R8, R9, R10 ограничивают ток транзисторов повторителя и защищают их от сквозных токов. Схема питается от двухполярного напряжения и имеет встроенные цепочки фильтрации на микросхемах-стабилизаторах 7812 и 7912. На выходе стоят конденсаторы предотвращающие попадание постоянного напряжения на выход.

В качестве IC1 можно использовать LM358 как самый доступный вариант, но для качественного звука советую поставить аналог подороже.

Печатная плата включает все элементы, кроме разъемов. Ее размеры составляют всего 50х50мм. Такой размер был выбран с целью в дальнейшем заказать платы у китайцев, уложившись в самый дешевый лот размером 5х5см. Вообще первоначально данный проект планировалось использовать как коммерческую разработку, но я все-же решил выложить его в открытый доступ.

Первая плата изготовлена методом плоттерной аппликации:

Пала небольшая, поэтому крепление осуществляется посредством штатной гайки переменного резистора. В сборе устройство выглядит так:

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин	Мой блокнот
IC1	Операционный усилитель	OPA2134	1	LM358		В блокнот
	Линейный регулятор	LM79L12	1			В блокнот
	Линейный регулятор	LM78L12	1			В блокнот
VT1, VT3	Биполярный транзистор	BC547	2			В блокнот
VT2, VT4	Биполярный транзистор	BC557	2			В блокнот
R1, R2	Переменный резистор	50 кОм	2			В блокнот
R3, R4	Резистор	47 кОм	2			В блокнот
R5, R6	Резистор	200 кОм	2			В блокнот
R7-R12	Резистор	10 Ом	6			В блокнот
		1000 мкФ	4			В блокнот
	Электролитический конденсатор	100 мкФ	2			В блокнот
	Электролитический конденсатор	10 мкФ	2

Moshe Gerstenhaber, Rayal Johnson и Scott Hunt, Analog Devices

Analog Dialogue

Введение

Создание измерительной системы с чувствительностью в единицы нановольт является очень сложной инженерной задачей. Лучшие из доступных операционных усилителей (ОУ), такие как ультра малошумящий , на частоте 1 кГц позволяют получить напряжение шумов менее 1 нВ/√Гц, однако в полосе частот от 0.1 Гц до 10 Гц природа низкочастотных шумов ограничивает наилучшие достижимые значения уровнем 50 нВ пик-пик. Передискретизация и усреднение выборок могут уменьшить среднеквадратичный вклад от шумов с равномерным спектром за счет более высокой скорости передачи данных и дополнительного потребления мощности, но передискретизация не уменьшит спектральную плотность шума и не окажет никакого влияния на фликкер-шум (1/f). Кроме того, большой коэффициент усиления входной цепи предварительной обработки сигнала, необходимый для исключения шумового вклада последующих каскадов, уменьшает полосу пропускания системы. При отсутствии изоляции любые помехи на шине земли проявятся на выходе, где они могут подавить как слабые внутренние шумы усилителя, так и его входной сигнал. Хороший малошумящий инструментальный усилитель упрощает разработку и конструирование таких систем и уменьшает остаточные ошибки, обусловленные синфазным напряжением, флуктуациями питания и температурным дрейфом.

Малошумящий инструментальный усилитель обеспечивает прецизионное усиление с коэффициентом 2000 и имеет все, что необходимо для решения перечисленных проблем. При температурном дрейфе усиления не более 5 ppm/°C, максимальном дрейфе напряжении смещения 0.3 мкВ/°C, минимальном коэффициенте подавления синфазного напряжения 140 дБ на частоте 60 Гц (не более 120 дБ на частоте 50 кГц), коэффициенте подавления пульсаций питания 130 дБ и полосе пропускания 3.5 МГц AD8428 идеально подходит для измерительных систем нижнего уровня. Но самое важное, что равное всего 1.3 нВ/√Гц значение спектральной плотности напряжения собственных шумов усилителя на частоте 1 кГц и лучшие в отрасли шумы 40 нВ пик-пик в полосе частот от 0.1 … 10 Гц, позволяют получить большое отношение сигнал/шум для очень слабых сигналов. Два дополнительных вывода (+FIL, -FIL) дают разработчикам возможность, изменив коэффициент усиления или добавив фильтр, сузить шумовую полосу частот. Кроме того, эти выводы фильтров являются уникальным средством улучшения отношения сигнал/шум.

Использование инструментального усилителя AD8428 для снижения шумов

На Рисунке 1 приведена схемная конфигурация, позволяющая еще больше снизить уровень шумов. Параллельное соединение входов усилителей и выводов фильтров четырех микросхем AD8428 уменьшает шумы в два раза.

Выходной импеданс схемы будет низким независимо от того, с какого инструментального усилителя взят сигнал. Эту схему можно расширить, чтобы уменьшить шум в корень квадратный раз из числа усилителей.

Как схема снижает шумы

Типичное значение 1.3 нВ/√Гц приведенного к входу напряжения шумов, генерируемого каждым усилителем AD8428, не коррелированно с шумами, производимыми остальными усилителями. Шумы некоррелированных источников складываются на выводах фильтров как корень из суммы квадратов. В то же время входной сигнал имеет положительную корреляцию. Напряжения, возникающие на выводах фильтров каждой микросхемы вследствие прохождения входного сигнала, одинаковы, поэтому параллельное соединение нескольких AD8428 не меняет напряжения в этих точках, и коэффициент усиления остается равным 2000.

Анализ шумов

Следующий анализ упрощенной схемы на Рисунке 2 показывает, что соединенные таким образом два усилителя AD8428 уменьшают шум в √2 раз. Шум каждого усилителя может быть смоделирован напряжением на его входе +IN. Для определения общего шума следует заземлить входы и использовать метод суперпозиции для объединения источников шумов.

Шум источника e n1 приходит на выход предусилителя микросхемы A1 дифференциально усиленным в 200 раз. Для этой части анализа выходы предусилителя микросхемы A2 считаем не содержащими шумов, а его входы заземленными. Резистивный делитель 6 кОм/6 кОм между каждым выходом предусилителя микросхемы A1 и соответствующим выходом предусилителя микросхемы A2 может быть заменен его эквивалентом Тевенина: половиной шумового напряжения предусилителя A1 с последовательным сопротивлением 3 кОм. Это деление и является тем механизмом, который уменьшает шумы. Полный анализ методом узловых потенциалов показывает, что шум e n1 усиливается на выходе до уровня 1000 × e n1 . Исходя из симметрии схемы, естественно заключить, что вклад от e n2 будет равен 1000 × e n2 . Одинаковые и равные en уровни e n1 и e n2 добавляются как корень из суммы квадратов, в результате чего общий выходной шум равен 1414 × e n .

Для того чтобы привести его обратно к входу, необходимо определить величину коэффициента усиления. Предположим, что между выводами +ВХОД и -ВХОД приложен дифференциальный сигнал V IN . Дифференциальное напряжение на выходе первого каскада A1 будет равно V IN × 200. Такие же напряжения возникают и на выходах предварительного усилителя микросхемы A2, поэтому делитель 6 кОм/6 кОм никак не влияет на сигнал, и анализ методом узловых потенциалов показывает, что выходное напряжение равно V IN × 2000. Таким образом, общее напряжение приведенного к входу шума равно e n × 1414/2000, или, что тоже, e n /√2. Подставив сюда типовое для AD8428 значение плотности шума 1.3 нВ/√Гц, получим, что конфигурация из двух усилителей дает плотность шума порядка 0.92 нВ/√Гц.

При добавлении усилителей меняется импеданс вывода фильтра, что также уменьшает уровень шума. Например, при использовании четырех AD8428 в конфигурации, показанной на Рисунке 1, между выведенным на контакт фильтра резистором 6 кОм и каждым из нешумящих выходов предусилителей оказываются подключенными три резистора по 6 кОм. Это фактически образует резистивный делитель 6 кОм/2 кОм, ослабляющий напряжение шума в четыре раза. Тогда общий шум четырех усилителей, как и предсказывалось, становится равным e n /2.

Компромисс между шумами и мощностью

С точки зрения критерия шум/мощность AD8428 отличается очень высокой эффективностью. При плотности входного шума 1.3 нВ/√Гц его ток потребления не превышает 6.8 мА. Для сравнения: малошумящему операционному усилителю AD797 для достижения уровня 0.9 нВ/√Гц потребуется максимальный ток 10.5 мА. Построенному на двух ОУ AD797 и одном маломощном дифференциальном усилителе дискретному инструментальному усилителю с коэффициентом усиления 2000 для получения приведенного к входу напряжения шумов 1.45 нВ/√Гц может потребоваться более 21 мА, которые будут потребляться в основном двумя ОУ и резистором 30.15 Ом.Помимо суммарного тока, потребляемого группой параллельно включенных усилителей, разработчик должен также учитывать их тепловые режимы. Мощность, рассеиваемая внутри одного корпуса AD8428 при питании напряжениями ±5 В, повышает его температуру примерно на 8 °C. Если несколько устройств расположены на плате компактной группой или находятся в замкнутом пространстве корпуса, они могут нагревать друг друга, что потребует при расчете схемы принимать во внимание и тепловые аспекты.

SPICE моделирование

SPICE моделирование, хотя и не должно заменять макетирование, может быть полезным в качестве первого шага для проверки идеи как таковой. Для проверки и имитации работы схемы, состоящей из двух включенных параллельно устройств, использовался симулятор ADIsimPE со SPICE макромоделью AD8428. Показанные на Рисунке 3 результаты демонстрируют ожидаемое поведение схемы: коэффициент усиления 2000 и сниженный на 30% шум.

Результаты измерений

Полная схема с четырьмя микросхемами AD8428 была проверена в лабораторных условиях. Измеренный приведенный к входу шум имел спектральную плотность 0.7 нВ/√Гц на частоте 1 кГц и уровень 25 нВ пик-пик в диапазоне от 0.1 Гц до 10 Гц. Это меньше шумов многих нановольтметров. Результаты измерений спектральной плотности и пикового напряжения шума представлены на Рисунках 4 и 5, соответственно.

Заключение

Создание устройств с чувствительностью нановольтового уровня является очень сложной задачей, создающей множество проблем при проектировании. Инструментальный усилитель AD8428 обладает всеми характеристиками, необходимыми для реализации высококачественных систем, требующих низких шумов и большого усиления. Более того, его уникальная структура позволяет разработчикам добавить эту необычную схему в свой арсенал нановольтовых технических решений.

Ссылки

1. MT-047 Tutorial. Op Amp Noise.
2. MT-048 Tutorial. Op Amp Noise Relationships: 1/f Noise, RMS Noise, and Equivalent Noise Bandwidth.
3. MT-049 Tutorial. Op Amp Total Output Noise Calculations for Single-Pole System.
4. MT-050 Tutorial. Op Amp Total Output Noise Calculations for Second-Order System.
5. MT-065 Tutorial. In-Amp Noise.