Tester voor het meten aan ELF low noise versterkers.

Hallo allemaal,

Ik ben bezig (min of meer op verzoek) met de ontwikkeling van een DC/AC versterker voor het meten van kleine spanningen.

De gevoeligheid rond de 1uV DC, AC afhankelijk van de bandbreedte de zelfde gevoeligheid.

Ingang impedantie 100 Meg Ohm.
Versterking 100dB dit is 100.000 keer.
Uitgang impedantie 50 Ohm.
Bandbreedte voor DC < 1mHz.
Bandbreedte voor AC > 1MHz.
Filters HP LP 1,3,5 interval tot 500kHz.

Dit zijn de belangrijkste eigenschappen voor het ontwerp wat haalbaar is zullen we tijdens het ontwerpen ontdekken!

Maar nu het punt waar ik en ik denk andere ontwerpers tegen aan loop is ik zou een signaal willen maken laat zeggen van af 0,001Hz tot 500kHz vlak met een uitgang spanning van 10uV.
Het liefste een ruisbron maar dan vlak dus geen 1/f karakteristiek.
Verder zoek ik ook een goede manier om dit laagfrequente signaal op een scope of analyzer zichtbaar te maken.

Ik heb al iets geprobeerd met een avalanche diode maar voor deze frequenties valt dat niet mee.
Misschien iemand een goed idee?

Gr Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.

Ken je het boek "Low Level Measurements Handbook" van Keithley ?
Daar staan in elk geval een aantal basisprincipes in voor het meten van kleine signalen en hoe dit aan te pakken.
Het boek is ook gratis te downloaden:http://www.google.nl/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=...16FRWeom3g

[Bericht gewijzigd door Brainbox op 4 juli 2015 17:48:16 (28%)]

blackdog

Golden Member

Hi Henk,

Een moderne functie generator kan deze signalen genereren.
Voor de 10uV maak je zelf een deler.
Let op, maak de impedantie van deze deler niet te laag, bij 500Khz gaat dan al de inductie meespelen.

Lage frequenties kan je met blok/driehoek generatoren maken.
Wel MKP condensatoren gebruiken.

Als je een Sinus wilt kan je met een handvol diodes er een sinus van maken.
Voor de lage frequenties kan het ook met een PIC, pwm.
Of een 8 bits dac met een sinus tabel.

Allemaal mooi en aardig, een moderne functie generator verslaat alles wat ik hier boven voorstel...

De 10 uV kan je aan de 50 Ohm uitgang maken met twee 20dB verzwakkers als de generator 1mV geeft.

Heb je er ook al aan gedacht, de versterking in meerdere afgesloten compartimenten te bouwen?

Ook lijkt het me wijs de versterker trapjes hun eigen lineaire regelaar te geven.
Dit vooral bij het ingangscircuit, zie mijn +-6V voeding in mijn ruis meetversterker.

Verder vraag ik mij af hoe je de filtering wilt gaan doen, je steld nogal veel kantelpunten voor...
ga je dit met een DSP doen of zeg de filter co ponenten van Linear Technology?

Ik uit naar je opset.

Gegroet,
Bram.

Waarheden zijn "Illusies waarvan men vergeten is dat het illusies zijn"

Een moderne functie generator kan deze signalen genereren.

Een oude ook... ;)

http://www.uploadarchief.net/files/download/pm5190d.jpg

Arco - "Simplicity is a prerequisite for reliability" - www.arcovox.com
fred101

Golden Member

De jaren 30 GR-605 kan 500nV maken ;-)

www.pa4tim.nl, Reparatie van meet- en calibratie apparatuur, ook oud en exotisch
Hewlett

Honourable Member

Zoals ik het lees is Henk op zoek naar een LF witte ruisbron, niet naar een functie generator :+

Inderdaad kan vrijwel elke moderne signaal generator vanaf 1µH witte ruis met een instelbare brandbreedte genereren. Dit wordt digitaal gedaan met een LFSR algoritme in een snelle micro of CPLD/FPGA, dat is ook prima zelf te doen.

In de Linear design note 70 staat een Jim Williams ontwerp van een zener analoge ruisbron 1khz - 5Mhz. Maar die zul je wel kennen.

Wat het bekijken / analyzeren betreft zijn deze lage frequencies een mooi klusje voor een (HP) Dynamic Signal Analyzer, in ieder geval tot 100khz. Meestal hebben deze analyzers ook een ingebouwde LF ruisbron, mijn HP3561A heeft dat wel.

HamRadio PA2HK // Keep Calm and Carry On.

Hi Brainbox,

Bedankt voor de reactie ik had dit boek wel eens voorbij zien komen maar ik dacht dat het reclame was.

Ik heb het vluchtig door gelezen is interessant de grafiek mbt de gevoeligheid en ingang weerstand daar heb ik met best wel moeite een Xcel sheet voor gemaakt had ik dus ook niet hoeven te doen.

@ blackdog,

Het punt is niet zo zeer de golfvorm generator maar de ruis generator.
Deze heb ik nodig om de eigenschappen van de versterker te meten.
Tevens een power meter voor deze lage frequenties of een rms voltmeter.

In dit topic wil ik alleen de meetmethode bekijken om een versterker met zeer lage ruis te meten en wel met als start 0.001Hz tot zeg 1MHz.

Deze ruis bron kan dan tevens als kalibratie gebruikt worden in het meetsysteem (versterker en filters).

Het licht in de bedoeling om het ontwerp zo op te zetten dat het relatief makkelijk na te bouwen is.

Zodra het ontwerp technisch kan ga ik naar een impedantie van 50 Ohm ivm met de gevoeligheid voor EMI RFI.

De behuizing is zeer belangrijk en zal een gefreesde behuizing worden de buiten behuizing is uiteraard naar keuze.

De voeding zal denk ik ook een batterij worden met wat filtering.

Het filter gebeuren is opgebouwd rond een aantal state variable filters hierdoor blijft het nabouwen nog interessant en blijven de hoeveelheid componenten nog binnen de perken!!

In het DC pad komt een LP filter met een Fc van 0.01Hz.

Maar ik kom hier uiteraard op terug in het topic voor het meetsysteem..

Nu wil ik kijken in aanloop van de ontwikkeling of het mogelijk is om een ruis generator te ontwikkelen vanaf 0.001Hz ik wil hiermee wat metingen doen aan de FET de bias is een stroom bron die wil ik niet continu gebruiken maar wil ik pulsen zodat ik de ruis bijdrage van de stroombron over de tijd kan beperken ik moet dus ook de vermogens index meten om het ruis getal vast te stellen.

Later meer over het meetsysteem....

Gr Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.
blackdog

Golden Member

Hi Henk,

Je zit ver in het "voodoo" gebied...

B.v. hoe ga je bepalen of de electronica die je gaat gebruiken voor de ruis, zelf geen 1/f ruisbijdrage heeft?

Ik durf er niet aan te denken wat voor kantelpunten je nodig hebt voor een rms meting bij zeg 0,01Hz...

Ik denk niet dat je genoegen neemt met de 6 a 7 maal verschil die meestal wordt aangehouden tussen de RMS waarde en de TT waarde van het te meten signaal.

Voor mij ook allemaal nieuw, kan je niet helpen met mijn ervaring ?

Daarom erg intressant wat hier uit gaat komen als schakeling en inzicht!

Gegroet,
Bram.

Waarheden zijn "Illusies waarvan men vergeten is dat het illusies zijn"

Hi Arco,

Ja die ken ik en is zeker goed dat is het punt niet toch ben ik wel jaloers als ik die moderne meetapparaten zie zeker de screen dump voor je documentatie en ik denk voor de meeste van ons nauwkeurig genoeg.

@ fred101,

Dat is een signaal generator en deze bouw je ook niet zo gemakkelijk na!!!!

@ Hewlett,

Dat is waar het om gaat een ruisbron een fuctie generator heb ik wel de HP8904a en de dynamic analyzer heb ik de HP3582a.

Het artikel van Jim ken ik wel maar deze begint van 1kHz en maak gebruik van een 1N753 dit is een zener diode en geen ruis diode is voor algemene toepassing prima maar omdat ik nog verder omlaag wil kan ik deze niet gebruiken.

De diode leg je net voor de 6,2V om je lading het (elektro magnetisch veld) door de barrier te verplaatsen passeer je twee stadia omdat er geen step recovery achter plaats vindt zal je lading tussen deze twee stadia heen en weer springen waardoor de amplitude varieert dit is op je scope niet zichtbaar de piekjes zijn de piekjes maar als je gaat regelen of clippen dan zie je dit wel.

Wat wel interessant is het LFSR algoritme hier ga ik mij in verdiepen wordt vervolgt.

@ blackdog,

Je eerste opmerking is de spijker op de kop.
Daarom lijkt het in eerste orde niet zo moeilijk maar ja bij nader inzien.

Meestal meet je piek/piek en reken je om naar RMS waarom ???

Het is de bedoeling dat de ruis analyzer zelf meet dus de Y methode is wel zo makkelijk maar dan moet wel de ruis bron gekalibreerd worden dat is al een uitdaging op zich.

Maar ook bij een piek/piek meting moet je voor de filters corrigeren de bandbreedte voor ruis is altijd groter als voor je signaal een en ander afhankelijk van de orde grote van je filter.

ik ga mij verdiepen in de opmerking van Hewlett over de digitale aanpak ik heb alleen nog geen idee.

Gr Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.

@Brainbox

Bedankt voor de tip van het Keithly book. Helaas is het een beveiligde PDF die je niet kunt printen. Iemand suggesties om het wel te kunnen pinten? (Leest wel zo fijn :-)

@ MacBart,

In google de eerste hit die kan je volgens mij wel printen.

Gr Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.

@elctron920

Bedankt :-) Deze versie is printbaar. URL is net iets anders

Niet printbaar: http://www.keithley.nl/knowledgecenter/knowledgecenter_pdf/L...ndbk_1.pdf
Wel printbaar: http://www.keithley.nl/knowledgecenter/knowledgecenter_pdf/L...Handbk.pdf

Naast deze editie (editie 6 42 pagina's) Liep ik op de Keihley site ook tegen een nieuwere en uitgebreidere editie 7 aan. (245 pagina's) Deze kun je downloaden door het formulier op de volgede pagina in te vullen: http://info.tek.com/KI-Low-Level-Measurements-Handbook-LP.html

@ Hewlett,

Ik heb vandaag een proefje gedaan met een generator volgens een random counter Y getal met X getal in een Z register lezen volgens mij krijg je dan een PWM.

Dit lijkt op ruis en voor de hoge frequenties ziet het op de scope als ruis uit niet verkeerd zou je zeggen maar voor de lage frequenties 0.1Hz kan je echter de blokjes tellen.

Ik verwacht dat met een complexe generator dit beter is dus ik bij de hp3582a op de ruis uitgang gemeten op de laagste frequentie 0.02Hz maar dan zie ik ook trapjes ik denk dat voor de meeste metingen dit geen probleem is ? maar in mijn geval heb ik hier niets aan.

Nu mijn vraag kunt u als er een moment tijd voor is bij de hp3561a eens op de ruis uitgang meten hoe dit er uitziet bij voorbaat dank.

Gr Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.
Hewlett

Honourable Member

Henk,

We hebben het hier over random noise waarbij de analyzer een span heeft van 0.02Hz?

Ik zit de hele dag bij een klant, ik zal vanavond even wat meten aan mijn 3561a en wat analyzer en scoop plaatjes schieten.

Groet,

HamRadio PA2HK // Keep Calm and Carry On.

@ Hewlett,

Alvast bedankt ik hoor het wel.
Mijn bandbreedte was groter maar de center frequentie was 0.5Hz.

Ik heb in matlab vandaag een simulatie laten draaien ik denk dat dit niet anders kan zo laag kan je het karakter van ruis digitaal niet maken.

Verder heb ik nog een ruis bron gemaakt met een diode van noisewave maar die gaat niet zo laag 10Hz tot 300MHz.
Voor hoog is het absolute geen probleem ik heb hier in het lab de hp8970b met ruis bron een downconverter tot 18GHz dus voor hoog geen punt.

Ik ga morgen kijken of ik een 10Meg carbon weerstand heb dan kan ik daar iets mee proberen ik ben dan van de 1/f ruis af.

Gr Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.
Hewlett

Honourable Member

Hallo Henk,
Ik had je nog beloofd een paar metingen te doen aan de ingbouwde ruisbron van mijn HP3561A Dynamic Signal Analyzer. Afgelopen week was het nogal druk met werkdagen van 14 uur per dag, dan heb ik daarna niet zo veel zin meer om in mijn lab te zitten... door de week kom ik tegenwoordig eigenlijk nooit aan de hobby toe.

Gisteravond even wat machines warmgedraaid en daarna een paar metingen gedaan. Eerst met de hp3561a DSA:
http://www.uploadarchief.net/files/download/hp3561a%20dsa.jpg

Analyzer ingesteld met een span van 1Hz, de ingebouwde ruisbron wordt geparameteriseerd aan de hand van de analyzer bandbreedte instellingen en maakt geen ruis aan buiten de span (als het goed is). Ruisbron (50Ω uitgang) staat in de randon noise mode en is direct aangesloten op de hoogohmige analyzer via een 50Ω passthrough. Bovenste plaatje laat het FFT spectrum zien en het onderste laat de 400 seconden durende samples in time domain zien waarop de FFT analyze uitgevoerd is.

http://www.uploadarchief.net/files/download/hp3561a%20noise%20source%201hz%20span.jpg

Op de analyzer is niks bijzonders te zien, mooi ruis plaatje. Vervolgens het ruissignaal op de Hameg HMO3054 scoop bekeken:

http://www.uploadarchief.net/files/download/noise%20source%20hp3561a%201hz.png

hier is inderdaad te zien dat de ruis via blokjes/digitaal gegenereerd wordt en dat er wat spikes opzitten. Bij een iets snellere tijdbasis instelling is dit digitale gedrag nog beter te zien:

http://www.uploadarchief.net/files/download/noise%20source%20hp3561a%201hz%20zoom2.png

Zoals Blackdog al eerder in dit draadje aangaf hebben moderne signaal generatoren meestal ook een (digitale) ruisbron ingebouwd. In mijn lab heb ik een Agilent 33522B 16bit 2 kanaals 30Mhz arbitrary waveform generator in het rek staan. Deze generator heeft twee digitale ruisbronnen waarvan voor de meting kanaal 1 ingesteld is op een bandbreedte van 1Hz, generator genereert dan ruis beginnende van 1µH tot en met 1Hz.

http://www.uploadarchief.net/files/download/agilent%203522b.jpg

Ruisbron van de 33522b aangesloten op de FFT analyzer nu ook weer met een 1Hz span en dat ziet er op de kleine CRT niet veel anders uit dan de ingebouwde ruisbron van hierboven:

http://www.uploadarchief.net/files/download/agilent%203522b%20noise%20source%201hz%20span.jpg

Met een span van 10Hz is te zien dat de 33522b generator inderdaad ruis genereert in de aangegeven bandbreedte en boven de 2Hz is er geen signaal meer aanwezig.

http://www.uploadarchief.net/files/download/noise%20source%20agilent%2033522b%2010hz%20span.jpg

Op de scoop is wel goed te zien dat het ruissignaal er bij 33522b er wat natuurlijker uitziet waarbij er geen trapjes zichtbaar zijn:

http://www.uploadarchief.net/files/download/noise%20source%20agilent%203322b%201hz.png

33522B 1Hz bandbreedte ruissignaal bij een snellere tijdbasis en niks digitaals te zien:

http://www.uploadarchief.net/files/download/noise%20source%20agilent%203522b%201hz%20zoom2.png

Conclusie? Moderne spullen zijn beter :+ en digitaal LF ruis genereren kan kennelijk wel.

Heb je hier wat aan?

Groet,

Hessel

HamRadio PA2HK // Keep Calm and Carry On.
Tidak Ada

Golden Member

Dit kwam zomaar even bij mij op:
Heb je al eens gedacht aan gasontladingslampen/-buizen als ruisbron?
Een eenvoudig neonlampje doet al zoiets, maar er bestaan ook speciale ruisdiodes op dit principe.
Over het gedrag bij lage frekwenties weet ik niets, maar wie weet...

Rommelige werkplek? In de natuur is wanorde de meest stabiele toestand; de entropie is dan maximaal. Het handhaven van "orde" kost daarom altijd energie. ----------------------> TUBECOLLECTORSASSOCIATION@yahoogroups.com

Hi Hewlett,

Dank voor de metingen ik weet nu dat de generator van de HP3582a heel is maar dat de kwaliteit voor mijn toepassing niet bruikbaar is.

Duidelijk heb je aan getoond dat de nieuwere apparatuur veel beter is ik denk dat de sample snelheid een grote rol speelt.

Ik wil toch proberen een en ander op analoge wijze te tackelen ik weet namelijk niet te hoe ik kan bepalen hoeveel ruis afkomstig is van de digitale klimbim.

@ Tidak Ada,

Dat is op zich een goede suggestie ik heb een generator van General Microwave die maakt gebruik van twee buisjes.
De sktu van Rohde & Schwarz doet dit op de zelfde manier maar ook hier dit gaat niet laag genoeg buiten dat heb ik dan last van shot noise dit is weer een andere amplitude karakteristiek.

Wordt vervolgd.

Gr Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.
Tidak Ada

Golden Member

probeer ook eens Hg-thyratrons, zoals PL/2D21. misschien gaan die wel lager. Kleine TL-buisjes (4 à 8W) kunnen ook. CV1881 is bijvoorbeeld zo'n TL-ruisbron.

[Bericht gewijzigd door Tidak Ada op 11 juli 2015 17:05:10 (16%)]

Rommelige werkplek? In de natuur is wanorde de meest stabiele toestand; de entropie is dan maximaal. Het handhaven van "orde" kost daarom altijd energie. ----------------------> TUBECOLLECTORSASSOCIATION@yahoogroups.com

@ Tidak Ada,

In die ruisgenerator daar zit een 6D4 in dat is een miniatuur triode thyratron.

In deze generator is de uitkoppeling voor hoogfrequent geoptimaliseerd ik kan eens meten wat deze voor laagfrequent doet.
Dank voor de hint.

Gr Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.
Tidak Ada

Golden Member

Ik heb hier een K81A van Philips. Dat is een ruisdiode in noval omhulling. Ik kan alleen in de datasheet geen gegevens over het spectrum vinden.
Alle andere ruisdioden, die ik in mijn verzameling heb, zijn voor gebruik in radar ontwikkeld, ook die CV1881. Dan wordt de ontsteekspanning erg hoog (kilovolts).

Op eBay staan een heleboel Russische koude kathode thyratrons, in subminiatuur uitvoering.

Je zou ook kunnen experimenteren met spanningsstabilisatiiorbuisjes.

Rommelige werkplek? In de natuur is wanorde de meest stabiele toestand; de entropie is dan maximaal. Het handhaven van "orde" kost daarom altijd energie. ----------------------> TUBECOLLECTORSASSOCIATION@yahoogroups.com

Ja die K80A en de K81A heb ik ook vroeger wel iets mee gedaan maar ook deze zijn vanaf 10Hz tot 300MHz bruikbaar.

Maar ik ben naar aanleiding van jou hint wel aan het kijken of een of ander buisje niet bruikbaar is.
Ik hou via dit draadje je op de hoogte.

Gr Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.

Ik heb in het verleden ook eens een meetversterker gebouwd met een maximale versterking van tachtigduizend. Zelfs met opamps met een minimale ruisbijdrage krijg je enorm veel ruis aan de output. Ik neem aan dat je met een kleine bronimpedantie gaat werken i.v.m. de AC bandbreedte?

This is the world we know best, the world of madness

Hi Blackfin,

De versterker met de filters dat is straks een ander topic.
Hier wil ik een aantal of eigenlijk een meettoestel maken voor het meten van het ruisgetal van de versterker.

Dit is alleen maar van belang voor het meten van DC maar wel een lage spanning.

Ik heb nodig een signaal generator met een lage uitgangspanning zeg 10uV deze kan tevens als kalibratie signaal dienen voor bij de versterker.

En een ruisbron met analyzer voor het nauwkeurig meten van het ruisgetal om verbeteringen aan te brengen de ruisbron moet vlak zijn dus geen 1/f laat ik zeggen vanaf 0.001Hz tot 100kHz.

Het kalibratie signaal heb ik op de rit en hiervan kan ik wat foto's van maken.

Het signaal is 1Hz 10Hz 100Hz 1kHz de uitgangspanning is doormiddel van een stappen verzwakker 100uV 10uV en 1uV de nauwkeurigheid is 0,2dB misschien kan ik nog beter ik ben de power sensor nog aan het verbeteren met name de magnetische afscherming.

Voor de ruisbron heb ik in eerste instantie twee opties of ik gebruik een carbon weerstand van zeg 10Meg met een leuke versterker of ik gebruik het heterodyne principe.

Hierbij moduleer ik een ruisband ver van de 1/f ruis op een drager en doormiddel van een Lo weer naar 0Hz zodat ik de lage zijband kan gebruiken om het ruis spectrum van af DC 0Hz dus terug te winnen.

Maar er is nu een optie bijgekomen om toch ook te kijken naar een buisje ik ben alleen bang dat de shot noise overheerst.

Gr Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.

In feite zijn de ruiseigenschappen van de eerste trap dominant, van low noise opamps zijn deze zaken meestal goed gedefinieerd ook de 1/f ruis. Bij zulke hoge versterkingsfactoren kijk je daarnaast vooral naar de thermische ruis van de bronimpedantie.

Een prima methode is het kortsluiten van de ingang van de versterker en dan aan de uitgang de ruis meten en deze terugrekenen naar de ingang. Vervolgens sluit je een weerstand aan en meet je of de ruistoename inderdaad overeenkomt met de berekende hoeveelheid thermische ruis.

Ik begrijp eigenlijk niet zo goed waarom je een ruisbron nodig hebt om de ruiseigenschappen van de versterker te meten. Kan je jouw denkwijze wat meer toelichten?

This is the world we know best, the world of madness