[模拟电路][项目]-EmoeNAP专题讨论

Floyd-Fish commented 1 year ago

EmoeNAP是🐟做的一个超低噪声放大器，可提供80dB的增益，折合输入噪声165nVrms（10Hz~100kHz）。Emoe上，噪声放大器(Noise Amplifier)构建指南和噪声放大器进阶指南两篇文章详细讲解了如何构建NAP，同时我也将此项目投稿了 Hackaday Op-Amp Challenge，最后好像得了个提名奖233。现阶段的NAP调试工作已经接近尾声，我已经确定了较优的设计方案，现在我想进一步优化这个项目，做成类似 Stanford Research SR 560 低噪声放大器那种非常Professional的仪器，供大家玩耍。其实光看这个指标的话，EmoeNAP的噪声性能是比SR560要强不少的，底噪低多了。不过SR560有可借鉴的部分：

可调不同带宽，有几个档位可供选择；
可以用AC/DC耦合，在极高增益倍数的情况下使用DC耦合...调零是个问题。
支持差分/单端输入
增益从1到50k可调，也是提供了几个固定档位 SR560的手册在这：http://research.physics.illinois.edu/bezryadin/labprotocol/SR560Manual.pdf

SR560指标

输入电压噪声，很显然是没有EmoeNAP强的。他的增益档位有：1、2、5、10、20、50、100、200、500、1000、2000、5000、10000、20000、50000这么些档位，每个档位对应的折合输入噪声水平是不一样的，仅在最高增益时能达到最低输入噪声：

物料考察

从他的Manual中，可以找到器件清单，🐟在其中发现了LT1028，看了看别的opamp和BJT，没有发现噪声性能比1028更优的器件了，那么可以推测，SR560使用了1028做极低噪声的档位增益。

EmoeNAPL

顺便，之前@CheeenNPP 看到了一个0.1Hz-10Hz的噪声放大器——LFLNA-80，专门用于测量1/f噪声，看起来十分的简单，于是打算同步做一个EmoeNAPL (L代表低频版) 玩一玩。

开启此贴以记录过程，顺便收集收集用户需求，大家希望EmoeNAP有什么功能呢？

OliverKung commented 1 year ago

SR560我记着是有原理图文档的来着，稍等我传一下 https://github.com/OliverKung/FileShare/blob/main/SR560_w_schematics.part1.rar https://github.com/OliverKung/FileShare/blob/main/SR560_w_schematics.part2.rar

Floyd-Fish commented 1 year ago

SR560我记着是有原理图文档的来着，稍等我传一下 https://github.com/OliverKung/FileShare/blob/main/SR560_w_schematics.part1.rar https://github.com/OliverKung/FileShare/blob/main/SR560_w_schematics.part2.rar

好诶，回去康康

Floyd-Fish commented 1 year ago

在改进EmoeNAP的过程中，又浮现了几个问题。最为Fatal的是：
如果使用运算放大器作为输入级，为了确保低噪声性能，运放外围所用的电阻阻值应该尽可能小。但输入信号过大时，小电阻会导致运算放大器的负担非常沉重，甚至可能损毁电阻或运放。

看了下SR560的输入级，他用了匹配JFET管对作为超低噪声输入缓冲，利用JFET的超低噪声性能和电路结构，可以起到输入级幅度保护的作用。电路如下：

图中红框圈起来的就是JFET对，这一级JFET对管主要起到输入缓冲+失调电压调零的作用，也可以配合后面的低噪声运放实现10倍预放大。在这里他的JFET和运放接成了一个闭环负反馈电路，LF411负责稳定JFET的直流工作点，OP37负责实现10倍放大，如果此级只实现缓冲功能，则旁路OP37，交由下一级处理。

在闲逛元器件时，🐟发现东芝的2sk209-GR还在产，而且很便宜，差不多1rmb/pcs，有着优异的噪声性能表现。于是俺整了点来玩，并且找到几篇外置JFET作为运放输入级以此提高复合放大器性能的文章：

其中，主要的参考是AN-6601中的单端I-V变换电路。

差分输入对有着更好的THD性能，但是由于电阻噪声源的增加，噪声性能不如单端输入级。况且这里只做简单的电路验证，就选单端当个懒狗了(
在LTSpice中搭建仿真电路，由于2sk209-GR不在LTSpice的pickup table中，所以选了个看得顺眼的替代：

JFET后紧跟的运放用了LT1028，后面的放大级对噪声不敏感了，所以用了高速且便宜的LT1468。该电路设计的增益倍数是80dB（10000倍电压增益）按照-3dB带宽看，带宽大概是700Hz~2.8MHz（1MHz附近有隆起）

然后跑跑噪声仿真，可以看出，在通带（100kHz处）的折合输入噪声大概是800pV/√Hz。

我大受震撼。单级电路就实现了如此恐怖的噪声性能，而且还扛得住高电压输入！如果把这东西的JFET输入级并联4通道，噪声性能就能超越现在的EmoeNAP！这不做一个试试？

Floyd-Fish commented 1 year ago

于是我用~~混合工艺~~制作了一个JFET输入级的验证板： QO~_8ULU5$ LWFT_@2_`W~P

嗯，请不要吐槽俺的焊功，总之它能用，且性能优异。粗略测试了下增益（用信号源输入，串个100倍衰减器，测试输出），用电位器trim到了5000，因为JFET参数不一样的原因，可能得改改电阻才行。然后用洞洞板上搭的那个100kHz低通滤波器测试噪声，100kHz带限折合输入噪声约为212nVrms，我们把差掉的2倍增益加上，乘以2得到424nVrms，用我写的简单计算器小工具计算了下折合输入噪声谱密度：

看起来还是相当不错的，如果以目前的水平，将JFET输入级并联8个，噪声性能也将超越现有的EmoeNAP。。。当然，我还没有细调这个电路，如果调整一下JFET周围的电阻和电容，可以将此电路性能做得更好~
待我之后实验试试

alwaysmy commented 1 year ago

jlc上2sk208和2sk209是最便宜的两个，我冲浪冲了一圈之后发现有人测了bf862的噪声，还对比了其他的管子包括2sk208这些，结果有点惊人：来源： https://www.electronicdesign.com/technologies/power/article/21796240/measurements-rate-smt-lowvoltage-njfets-under-consistent-conditions 来源：http://tech-blog-en.sblo.jp/article/183391570.html 我觉得第二个图里面看起来靠谱一些，第一个图的bf862直接吊打一切感觉有点离谱，毕竟这玩意儿手册上写着转折频率还是比较高的。但是不管怎么样，如果按照Floyd-Fish的用的频率范围，他们的测试结果都是能盖过208的，而且，最重要的是，这玩意儿2毛8一个包邮，叠四个也低频端也可以了（

不过，这个似乎有W28U和2AM的丝印区分，我不知道具体有啥区别，倒是NXP上说这个已经停产了。 p.s. NXP性能更差但是被标记为替代品的bf861和其他的n-JFET倒是还在产，我不是很理解。所以说，@Floyd-Fish 快来试一试吧！（

。。俺买了几个月了上了仿真就放放一边了）

另外，俺觉得开环似乎不太好，一个jfet离散比较大，不过自己校准一下问题不大，但是有温度影响增益俺觉得这个不太hifi，就是不知道影响有多大，或许可以加热一下实测一下？然后我仿真了一下,JFE150那个参考电路

然后1khz处达到了780pV/√Hz. 但是我觉得这图做出来会有很多问题（加上我很懒），所以我只是在这里抛个砖（另外1khz的点本身噪声自然是远小于0.1-10hz部分，俺觉得自然要做一台那么就争取低频做下去的（不是😋

btw,覆铜板用拉刀刻的嘛？

Floyd-Fish commented 1 year ago

感谢楼上推荐！搜集了一下2SK209GR和BF862的Spice模型，先在这里贴一下：

2SK209GR

.model 2SK209BL njf vto = -0.7869
+ beta = 0.021 lambda = 6.15e-3 rd = 12.194
+ rs = 16.746 is = 2.613e-15 cgd = 1.458e-11
+ cgs = 1.478e-11 pb = 0.3754
+ fc = 0.5 N = 1

BF862，NXP官网给的有问题，修正来源：https://www.diyaudio.com/community/threads/bf862-ltspice-model.281387/

*   BF862 SPICE MODEL MARCH 2007 NXP SEMICONDUCTORS
*   ENVELOPE    SOT23
*   JBF862: 1, Drain,  2,Gate,  3,Source
.SUBCKT BF862 1 2 3
  Ld  1 4   1.1nH
  Ls  3 6   1.25nH
  Lg  2 5   0.78nH
  Rg  5 7   0.535Ohm
  Cds 1 3   0.0001pF
  Cgs 2 3   1.05pF
  Cgd 1 2   0.201pF
  Co  4 6   0.35092pF
  J1  4 7 6 JBF862

.model JBF862 NJF(Beta=47.800E-3 Betatce=-.5 Rd=.8 Rs=7.5000 Lambda=37.300E-3 Vto=-.57093
+ Vtotc=-2.0000E-3 Is=424.60E-12 Isr=2.995p N=1 Nr=2 Xti=3 Alpha=-1.0000E-3
+ Vk=59.97 Cgd=7.4002E-12 M=.6015 Pb=.5 Fc=.5 Cgs=8.2890E-12 Kf=87.5E-18
+ Af=1)
.ENDS BF862

* END OF MODELLING

Floyd-Fish commented 1 year ago

今天试了下Jim在AN-124里所用的放大结构，他这个设计是用于放大0.1Hz-10Hz极低频噪声的，并且在单级实现了极高增益（10000倍），如果要用此电路放大宽带信号，需要注意运放的选择，以及对电路稍作改动：我主要的改动就是JFET的源极电阻改了下值，以及在主运放的反馈电阻Rf上并联了一个环路补偿电容30pF，用于限制环路带宽（实测如果不加此电容，高带宽下该电路会振荡哦:D)

此处用2SK209的spice模型跑了个仿真，结果还不错，-3dB带宽能做到接近10MHz：当然，低频处的高通极点你可以更改输入电容来实现任意值。电路实物进化了下： (10TBC4J5V%DR @}O3LSL L

之后有些事情要处理，看哪天有空了给这个电路把增益级补全，然后测一下Noise Floor~ 或者我干脆画个JFET-Input Stage的EVM，给群友们爽爽？

emoestudio / eEEExplore-2023