Meten aan Chopper en AutoZero opamps

blackdog

Golden Member

Hi,

Doel
Ik ben voor een aantal spanningreferentie buffers/versterkers aan het uitzoeken welke opamp goed bruikbaar is voor deze toepassing.
Hoe goed een bepaald type opamp geschikt is voor de toepassing, hangt natuurlijk ook af van de schakelingopbouw die je gaat toepsassen.

Ik laat zo een testschakeling zien die een Chopper/AutoZero opamap heeft als buffer/versterker.
De moderne opamps voor deze toepassingen laten in de datasheet zeer goede waarden zien voor Offsetfouten en
de drift is volgens sommige fabrikanten extreem laag, zoals bij deze ZeroDrift opamp van TI: Zero-drift: 0.005 μV/°C (OPA189)

Maar staar je daar vooral niet blind op, de toepassing is hier vooral een Referentie Zener buffer.
Deze Referentiezener heeft zelf al een drift die hoger is dan de 0.005uV/°C en is hier niet zo van belang, en als je de totale opbouw van de Referentieschakeling weet.
Zeer lage offsetspanningswaarden zijn dus voor relatief lage kosten te doen met opamps van verschillende bekende fabrikanten zoals Maxim, "LT, Analog Devices" en Texas Instruments.

Chopper techniek
De gebruikte techniek in deze Chopper/AutoZero opamps heeft ook grote sprongen gemaakt, maar de vooruitgang zit meestal niet in een nog lagere Offsetspanning.
Volgens mij gebruikte ze in de 50 jaren van de vorige eeuw mechanische chopper en volgens mij heb die zelfs nog in apparatuur uit eind 60 jaren gezien.
Ik heb hier nog een HP multimeter staan de de volgende techniek gebruikte, een synchroon motor met vier vaantjes er aan, vier lampjes en vier stuks LDR.
Dit zelfde is ook mogelijk met vier stuks LED en vier maal een foto transistor.

Dit ligt nu allemaal achter ons het is nu al weer vrij lang in IC form beschikbaar van diverse fabrikanten.
De oudere IC modellen van dit type opamp, hebben bijna altijd een offset beneden de 5uV en bij de moderne beste types is dit vaak als max 3uV gespecificeert en typical kleiner 1uV.

Schakling opbouw
De moderne chopper opamp mag dan wat DC offset betreft zeer goed zijn, maar hoe goed je schakeling wordt hangt zeer sterk af van het ontwerp en de bouwwijze.
Je wil niet weten hoe vaak de Hr. Seebeck op de loer ligt om jouw vooropgestelde performance om zeep te helpen.
Lees vooral de datasheet van de al oude LTC1050 serie choppers van Linear, daar staat veel info in ove dit probleem.

De gene die de schakeling presenteerd gaat hier hopelijk wijnig last van te hebben, hoe dat kan? de schakeling komt in een 42°C oven!
Is dat zalig makend, nop, ten alle tijden zal ik er rekenming mee moeten houden dat er temperatuur verschillen optreden op de print door de dissipatie van de onderdelen.
Zoals in de proefschakeling de twee of misschien 4x een LM399AH.
Bij 23°C los op tafel is de het benodigde vermogen voor een LM399AH rond de 0,25-Watt en dat zal bij inbouw van een 42C oven rond de 0,2-Watt zijn.
Bij een goed geisoleerde oven is de dissipatie een redelijk groot aandeel in de totale energie die nodig is om de oven op temperatuur te houden,
dus de opbouw op de print is echt een aandachtspunt.
Maar laten we het geen oven topic maken, maar het is wel goed om dit even aan te tippen omdat het wel een deel van het totale "Error Budget" is.

Schema als uitgangspunt
Ik laat nu eerst een proef schema zien en wat uitleg en daarna de testen van de verschillende typen opamps.
Dit schema heeft twee LN399AH referenties, een passief filter en een referentie buffer/versterker die de spanning schaald naar 10V.
Korte uitleg van het schema, de twee LM399AH staan DC parallel via R5 en R6, beide Zeners worden gevoed vanuit de uitgang door R2 en R4 met iets meer dan 1mA Zenerstroom per Zener.

R5 en R6 vormen ook een Low Pass filter op ongeveer 0,8Hz, en de gene die denken:
waarom maak je R5 en R6 niet hoger in waarde bij gebruik van een Fet opamp, daar kom ik later nog op terug.
R7 geeft een beetje bescherming van de ingang bij calamiteiten, de groene weerstanden zijn van het zeer stabiele type van Vishay en/of het merk AE welke ik hier heb liggen.

R11 en de trimmer zorgen er voor dat ik een heel klein regelbereik heb voor het trimmen, zodat de drift van de potmeter heel klein wordt in het Error Budget.
De "rare" waarde van de 16K767 is wat ik hier heb liggen en komt met deze opbouw mooi uit met de referentie spanning van mijn LM399AH Zeners.
Achter de opamp heb ik een BD139 transistor gezet zodat de opamp vrijwel niet belast wordt, vooral niet capacitief daar Chopper opamps hier niet goed tegen kunnen.

Stroombegrensing van de uitgang
De tweede rede is dat ik een stroombegrensing wil hebben die simpel is van opbouw en degelijk van opbouw is.
Hier is nu ongeveer 4mA beschikbaar voor de 2N3904 gaat ingrijpen, de BD139 heb ik gekozen omdat dit het geheel degelijk maakt.
Er zijn wat dioden toegevoegt om de schakeling te beschermen tegen het spanning zetten op de uitgang.
De BD139 heeft een 100Ω in zijn collector en aan zijn emitor hangen ook diverse componenten voor dat de 100Ω naar de uitgang gaat.
Om er voor te zorgen dat de BD139 niet HF zijn eigen ding gaat doen, moet je minimaal een van de drie aansluitingen een weerstand geven en de 100Ω in de collector voldoet hieraan.
Het is hier niet zichtbaar maar de transistoren komen niet in de oven, het opsplitsen van de schakeling laat ik later zien.
Het gaat hier in dit schema vooral om de de opbouw rond de opamp en de toegepaste filtering.

Bias cancellation
Beide opamp ingangen zien ongeveer de zelfde weerstands waarden, dit is dus om de fout van de bias stromen zo klein mogerlijk te maken.
Ook zijn de waarden hierom niet te hoog genomen, hogere waarde ngeven behalve bias problemen ook meer ruis.

Filters
Dan komen we bij de tweede functie van de opamp schakeling, dat is het filteren van het ingangs signaal en het kwijt raken van de artefacten van Chopper/AutoZero op amps.
De opamp is ook als 2e orde Low Pass filter geschakeld, en de gebruikte waarden van R13||R14 samen met C6 en R19 samen met de uitgangs condensator C7 geeft een kantelpunt rond de 80Hz.
Dit moet nog getrimd worden voor optimaal gedrag.
http://www.bramcam.nl/Diversen/Chopper-Opamps/LM399AH-10V-Ref-01.png

.
Altijd goed opstarten
De schakeling met de BD139 is zo opgezet dat bij het inschakelen R15 altijd voor basis sturing zorgt en er dus altijd wat spanning op de uitgang komt voor de opamp op stoom is.
Hierna neemt de opamp het over en trekt via R12(wordt waarschijnlijk 1K) en de twee 1N4148 dioden de basissturing zover omlaag om precies de ingestelde waarde te krijgen van 10V aan de uitgang.

Chopper keuze
Dan komen we nu aan bij het probleem, welke van de 10 typen Choppers/AutoZero opamps kan je het best gaan gebruiken...
Voor het meten van enkele opamps in een PDIP behuizing heb ik vele jaren geleden al een testkastje gemaakt.
Doordat er wat meer eisen zijn bij de opamps die ik wil gaan gebruiken heb ik eerst maar eens dit oude kastje een onder handen genomen.
Even een opamp er in geprik en de deksel gesloten, dit is trouwens de ADA4522-1.
http://www.bramcam.nl/Diversen/Chopper-Opamps/Test-Kastje-01.png

.
Ik denk 25 a 30 jaar geleden gemaakt en later van wat ferriet voorzien tegen de aanwezige stoorvelden in de meetomgeving.
Als je goed kijkt kan je zien dat ik toen niet de moeite had genomen de soldeer hars te verwijderen.
http://www.bramcam.nl/Diversen/Chopper-Opamps/Test-Kastje-02.png

.
Dit zijn de onderdelen die ik heb vervangen, ze zijn van de DVM uitgang filter en de weerstand voro de scoop uitgang welke 42Ω was.
http://www.bramcam.nl/Diversen/Chopper-Opamps/Test-Kastje-03.png

.
Hier is de schakeling reeds aangepast en ik laaat zo het schema hiervan zien.
het is goed zichtbaar dat het printje nu vrij is van hars resten, geboend met alcohol, verschillende borsteltjes en een handvol Qtips en perslucht.
De grote condensator van het eerste deel van het DVM filter zit nog op zijn plek, de tweede condensator van het filter is de meest rechtse condensator
welke net onder ook aan de rechter zijde gemonteerde dubbele 18K weerstanden.
Ook is zichtbaar dat pen 1, 5 en 8 geheel vrij zijn, soms hebben deze extra functies bij sommige opamps en ik wil voor dit kastje ze zwevend hebben.
http://www.bramcam.nl/Diversen/Chopper-Opamps/Test-Kastje-04.png

.
Dit kasje is niet alleen voor het testen van Offset en ruis van Chopper opamps, ik heb vele andere opams er mee getest.
Alle bedrading zit er weer aan en nu ook netjes met kousjes afgewerkt.
http://www.bramcam.nl/Diversen/Chopper-Opamps/Test-Kastje-05.png

.
Dit was het schema van vele jaren geleden, het DVM filter waren gewoon twee de zelfde secties achter elkaar.
R5 staat ook hier aangegeven als 42Ω en één van de diodes die wel goed op het schema staat was niet goed gemonteerd.
De diode die tegen het ompolen van de negatieve voedingslijn moet beschermen, zat twee keer aan de massa vast, ja jaren geleden kon ik ook al goed Mutsen. :-)
http://www.bramcam.nl/Diversen/Chopper-Opamps/Test-Kastje-10.png

.
Bijna gelijk, zoek de verschillen!
Het DVM Filter is nu een netjes geconfigureerde 12dB/Oct met een 100Hz kantelpunt.
Als ik dus een breedband opamp meet in dit kastje weet ik zeker dat de DVM geen HF prut op zijn DC ingang ziet.
1Khz is het filter -32dB en bij 10KG is het -72dB, naturlijk ben ik weer uitgegaan van de hoge impedantie van mijn DVM ingang.
Maar de uitgangs van het filter voor DC is met de aanpassingen minder dande helft geworden, 24K t.o.v nu 10K.
Bij een DC ingangs weerstand van 1Meg van een DVM geeft dit een fout van 1% in de aflezing,
dit is geen enkel probleem de offset spanning 1000x versterkt is nu niet echt een stabiel uit telezen waarde!
http://www.bramcam.nl/Diversen/Chopper-Opamps/Test-Kastje-11.png

.
Ik was te lui om de tekst op de deksel aan te passen, het is er daar de jaren heen bijna geheel afgesleten.
Hier liggen een aantal kandidaten op het testkastje.
http://www.bramcam.nl/Diversen/Chopper-Opamps/Test-Kastje-06.png

.
Een setje oude Choppers van Linear Technologie.
http://www.bramcam.nl/Diversen/Chopper-Opamps/Test-Kastje-08.png

.
Dit zijn twee meetopstellingen bovenaan de Offset/Ruis test met aan de rechter zijde een van mijn passieve filters, hier het 100Hz/1Khz filter.
En er onder een testprintje voor het bepalen van de zener spanning van een LM199/299/399 zener, de Zenerstroom wordt verzorgt door een LM334H stroombron.
Dit testprintje is ondanks dat mijn Analyzer er via de gele kabel aan gekoppeld zit, niet geschikt om de ruis te bepalen van de Zener diode.
Ik moet hier een andere opzet voor gaan bouwen en weet in ieder geval hoe het niet moet...
http://www.bramcam.nl/Diversen/Chopper-Opamps/Test-Kastje-12.png

.
Zo moet het dus niet, denken dat je met dit soort opbouw je zeners kan verouderen en steeds even de spanning van iedere zener goed kan meten.
Er wordt met twee draden vanaf iedere zener gewerkt naar de schakelaar en dan met een afgeschermde kabel naar de DVM gegaan.
De Zenerstroom wordt door een goede Referentie bepaald die links boven op de print zit, met een extra transistor om de uitgangsstroom te verhogen.
Maar Seebeck is ook hier weer de baas :-) goed voor het verouderen en om een induk te krijgen van de referentie spanning maar te veel drift door temperatuur verschillen in de meetomgeving, dit t.o.v. een losse meetopstelling met 1-zener.
Voor ruismetingen aan de LM399AH zeners zal ik een ander meetkastje moeten bouwen voor alleen dit type zener, er dwarrelt al wat rond in mijn hoofd :-)
http://www.bramcam.nl/Diversen/Chopper-Opamps/Test-Kastje-13.png

.
En dan nu het laatste plaatje dat laat zien hoe ik de Offset en ruis van de opamps ga meten.
http://www.bramcam.nl/Diversen/Chopper-Opamps/Test-Kastje-Setup-01.png

.
In het volgende deel van dit topic laat ik per opamp wat scoop foto's zien en een kleine bespreking van de voor mij belangrijke gegevens uit de data sheet van die opamp voor dit project.

Vragen, opmerkingen, ik hoor ze graag.

Groet,
Bram

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

Dit wordt weer een leuk topic om te volgen :). Vanochtend toevallig hier ook een klein beetje mee bezig geweest. Ik had ook gekozen voor de 2 16.767 in parallel met 2 10 K's in serie. ooit een keer gekocht via V&A. Het stukje rond de BD139 vind ik interessant. De volgende vragen komen bij mij op:

  • Doordat je afhankelijk van R15 bent voor je basis stroom in Q2 en je met een laagdoorlaat filter werkt, ben je dan niet onnodig gevoelig voor verstoringen op je 15 V voedingslijn? Zou je dan niet beter met een PNP kunnen werken, en dan R15 weghalen. Q1 en R17 moeten dan wel anders worden uiteraard.
  • Is het gebruik van een buffer amp niet robuuster, qua PSRR en output.

Voor de rest nog wat losse vragen:

  • Waarom heb je twee diodes tussen de heater en de referentie ipv niks?
  • Knijpt de opamp bij opstarten niet juist de voeding naar de zeners af? Bij opstarten zal er eerst een spanning zich aandienen bij de inverterende ingang, terwijl de niet inverterende ingang nog op 0 V staat. De opamp heeft al spanning via de 15 V lijn, en kan dus de uitgang naar beneden trekken (0 V). Dit om de de spanning op de inverterende ingang ook richting 0 V te sturen.
  • Ga je de heaters extern regelen of wordt die ergens aan de 15 V lijn geknoopt?

Ik heb recent ergens anders een vergelijkbaar ontwerp gezien voor het meten van de offset aan opamps. Elegant om daar de opamp zelf voor te gebruiken, en hierdoor niet de offset van een externe versterker als fout erbij te krijgen.

blackdog

Golden Member

Hi Titatommeke,

De 15V voor de referentie wordt natuurlijk van goede kwaliteit.
De voeding voor de Heaters van de LM399 IC's zal geheel los komen te staan maar krijgt wel een verbinding met de "0" van de Referentie schakeling.
Mocht er iets mis gaan met een van de voedingen of ik doe iets stoms :-) dan houden de twee diodes het spannings verschil klein.
In het schema moeten nog Schottky types hiervoor getekend worden.
Normaal doen de diodes helemaal niets! omdat het spannings verschil dan "0" is.
Dus twee aparte 15V voedingen zullen er gebruikt worden

De opboud van de buffertrap heb ik ongeveer al een zo gedaan en werkte goed.
De aanpassing is ondermeer de extra weerstand R10 die in het schema nog 100Ω is, deze waarde moet nog getrimd worden.
Deze weerstand zorgt er voor dat er voldoende bandbreedte is voor kleine snelle aanpassingen.

Ik was begonnen met een bufferamp in de schakeling maar ik denk dat na het tunen dit uitstekend werkt.

De twee diodes in serie worden waarschijnlijk een zener en een diode, dit brengt de uitgang van de opamp rond de helft van de 15V voedingspanning.

Maar het schema is nog niet klaar en het is een proefschema om het tweede deel van dit topic als uitgangspunt te dienen.

Groet,
Bram

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

Hoi Blackdog,
Ik ben benieuwd wat deel twee gaat brengen. :)
Wellicht pruts ik nog wat in spice om te kijken hoe het functioneert.

blackdog

Golden Member

Hi,

Na een uitermate vervelend IT klusje (adresboek migratie) was het tijd voor wat ontspanning. :D

Ik had toen ik ging slapen gisteren avond over het testschema nagedacht, dit na de opmerkingen van Titatommeke betreffende het aansturen van de BD139.
Bij een voedings projectje van mij had ik ook al een beetje zitten spelen met de getoonde configuratie.
Bij een LAB voeding moet je rekening houden met een groot spannings en stroom bereik.
Ik heb bij deze spanningsreferentie wat meer speelruimte door het veel kleinere dynamiek.

Dit is het schema geworden nadat ik niet in slaap kon komen...
http://www.bramcam.nl/Diversen/Chopper-Opamps/LM399AH-10V-Ref-02.png

.
De aansturing van de BD139 is een beetje anders geworden, de diode D10 zorgt er voor dat de uitgang als hij naar +15 zou gaan niet de BD139 zonder sturing zou laten.
C8 is er voor om om de loop niet te veel te vertragen, AC zit de uitgang van de opamp nu aan de basis van de BD139, waarschijnlijk kan de 10nF nog wat lager in waarde.
Dat zoek ik uit als ik weer wat meer tijd heb, vooralsnog is de schakeling stabiel.

Dit is de test schakeling die iets anders is als het bovenstaande schema.
De twee rode condensatoren zijn 2x 22uF.
De zener is de LM329 wat een LM399 zonder kachel is en hier zichtbaar net naast de rechter rode condensator met het cijfer 5 er op gekalkt.
De stroombegrensing transistor is nog niet toegepast, daar deze voor de werking van de eerste test niet direct noodzakelijk is.
De weerstanden zijn 5% en 1% typen en goed genoeg voor deze metingen.
De mooie Tantaal condensator is hier 10uF in een wat groot huisje, nieuwe en NOS en er is te zien dat hij uit week 20 van 1974 komt. is :-)
http://www.bramcam.nl/Diversen/Chopper-Opamps/LM399AH-10V-Ref-03.png

.
Mooi, en dan een single shot meting van het inschakelen, de gele trace is de uitgang en de blauwe trace is de opamp uitgang.
De uitgangs condensator wordt vrij snel tot een bepaald niveau geladen, zeg rond de 9V en als de twee rode condensatoren op spanning komen gaat de spanning op de uitgang rustig naar de 10,2V.
Dat de spanning 10,2V is komt doordat de Zener spanning niet met de gebruikte versterkings weerstanden is verrekend, voor deze test onbelngrijk.
Hier is het signaal weer een beetje gefilterd in de scoop (Avg x2), maar ik heb gezocht naar abberaties, deze waren niet aanwezig.
http://www.bramcam.nl/Diversen/Chopper-Opamps/LM399AH-10V-Ref-04.png

Natuurlijk moet ik ook testen met de stroombegrensings transistor in de schakeling, maar dat komt misschien morgen als de tijd er voor is.
Morgen komt als het goed is ook een TI chopper opamp binnen, ik zou er daarvan een paar moeten hebben maar, kan ze niet meer vinden.
Dus heb ik er dit weekeinde weer een paar besteld, gelukkig zijn ze niet zo duur.

Genoeg voor vandaag, nu even ontspannen!

Groet,
Bram

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

Golden Member

Hi,

Een klant heeft een afspraak verzet, dus ik had ik wat tijd voor extra metingen betreffende het inschakel gedrag van de Referentie schakeling.

De stroombegrensings transistor is aangebracht en hieronder wat plaatjes van het inschakel gedrag bij wat componenten variabelen.

Dit is een plaatje van een test net als gisteren, alleen is er een trace bijgekomen en dat is de groene welke het niveau van de +ingang van de opamp aangeeft.

Nu zijn alle drie de belangrijke signalen zichtbaar en R12 is 10K, die samen met R15 de maximale basisstroom bepalen van de BD139.
http://www.bramcam.nl/Diversen/Chopper-Opamps/Reference-Buffer-Startup-02.png

.
Dit is het gedrag als ik R12 vergroot naar 22K er is nu zichtbaar dat de opamp uitgang zich op 8,4V bevind zonder belasting.
Het laden van de condensatoren duurt nu ook wat langer, dit is verder geen probleem.
Het stabiel worden van de LM399 Zener duurt veel langer dan dit inschakel effect.
Met de 22K loop ik wel tegen de grensen aan van de opamp uitgang als de belasting stijgt, de voeding van het geheel is 15V en ik hou graag wat marge aan.
Dus de uiteindelijk berekende 10K a 12K voor R12 vind ik een aardige balans voor deze opset.
http://www.bramcam.nl/Diversen/Chopper-Opamps/Reference-Buffer-Startup-03.png

.
Dit is het inschakel gedrag met R12 = 10K en een belasting van 4mA aan de uitgang.
4mA belasting voor een spannings referentie is natuurijk "Not Done" daar je dan eigenlijk een 4 draads systeem moet maken met sens draden.
Maar deze test is nodig om te kijken of mijn minimale stroom aan de uitgang beschikbaar is en de opamp het regelbereik aan kan.
Als de stroom toch wat te klein zou zijn voor een goede regeling dan kan de emittor weerstand van de BD139 naar 82Ω gebracht worden.
http://www.bramcam.nl/Diversen/Chopper-Opamps/Reference-Buffer-Startup-04.png

.
Wat mij betreft is de configuratie wat betreft stroom instellingen zo goed.
Bij kortsluiting loopt er ongeveer 10mA en bij het verwijderen van stroombegrensings transistor is dit rond de 75mA.
De maximale stroom zonder bescgerming wordt bepaald door de basis weerstanden en de twee 100Ω weerstanden in de emittor en de collector van de BD139.

Wat nu nog moet gebeuren is de filter werking optimaliseren van dit opamp trapje en dan kan ik beginen aan het testen van een kleine 10 stuks precisie opamps!

Groet,
Bram

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

Prachtig Bram, ik lees altijd meestal jouw artikelen met aandacht en plezier, en steek er ook veel van op als het in mijn interessegebied ligt.
Deze keer vraag ik mij af of je in een paar regeltjes zou kunnen vertellen van nou de kernkwaliteiten zijn van Chopper/Autozero opamps? Waarom heb je nou zo ééntje nodig in je ontwerp? Kan je daar dan toch niet die metalcan 709 kwijt :-)

TonHek

The fastest way to succeed is to double your failure rate.

Ben benieuwd naar de verschillen tussen de verschillende opamps in deze configuratie. Op de offset spanning na is er niet veel spannends nodig denk ik. De LM399 is zelf al snel een grotere ruis generator dan de opamp gok ik.

blackdog

Golden Member

Hi,

Het gaat in eerste instantie niet om het schema dat ik hier laat zien maar om de opamps die ik zou willen gebruiken.
Dus daarom is vind ik het handig een schema te laten zien dat werkt en als uitgangspunt gaat dienen.

Wat ruis en drift betreft van de opamps, daar gaat het tweede deel over, waar trouwens aardig wat werk in zit.
Dat is ook de rede dat ik in een ander topic vroeg om een mogelijkheid b.v. dit topic "voor te bereiden" en dan nog niet zichtbaar voor jullie.

We zullen zien hoe het gaat, er komen denk ik drie normale echt goede opamps aan het bod zoals de LT102AC LT1007AC en de AD707
en verder een vijftal choppers van verschillende merken.

Ruis?
Natuurlijk wordt dit ook behandeld, dat is aan de schakelingopbouw al goed te zien!
Maar daar ga ik dus in het tweede deel op in.

Groet,
Bram

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

Ha blackdog,

Ik kan nog niet een twee drie overzien hoe en wat je wilt testen maar dat komt nog wel ;)
Wel zou ik het te testen monster goed afschermen ik werk ook wel eens met dezelfde Hammond kastjes ik gebruik dan een kastje op zijn kop om op de andere deksel vast te schroeven even doorboren en lange schroef gebruiken :P
Ik wacht het vervolg af interessant zelf gebruik ik de ADA4582-1 deze werkt redelijk goed.

@TonHek,

Om op jou vraag te komen zo,n CHOPPER is een benaming over een breed gebied en wordt al sinds de buizen tijdperk gebruikt.
Elke schakelende voeding is een CHOPPER immers je gaat van DC naar AC.
Een specifieke toepassing is een chopper versterker met een grote versterking 1000 X of meer elke offset aan de ingang wordt 1000 X versterkt dit is onacceptabel.
Een andere voordeel is wanneer je kleine signalen in de buurt van het ultra laagfrequente gebied < 100 Hz gaat versterken hier heb je te maken met een toenemende ruis boven de thermische ruis veel al aangeduid met 1/f ruis.
Hoe dichter je bij de 0 Hz (DC) komt hoe meer ruis afhankelijk van de gevoeligheid welke je wil bereiken kan dit storend zijn.

Door gebruik te maken van een modulator/versterker/demodulator (CHOPPER).... kan de DC spanning (0 Hz) omhoog in frequentie geconverteerd worden ver van de 1/f lijn op deze manier kan dit storende component omzeilt worden.
Door deze conversie is de spanning afkomstig van de modulator een AC spanning hierdoor zal de verstoring van de DC offset weg vallen.
Hierdoor is het mogelijk om een hoge versterking te realiseren.
Door achter de versterker een demodulator te gebruiken met de zelfde chop frequentie wordt de DC spanning weer terug gewonnen.
De bandbreedte van het systeem wordt bepaalt door de chop frequentie.

Nu is ook dit principe niet zalig makend de oscillator (chop frequentie) genereert ook spurs en interactie hier tussen.
Jou vraag om de uA709 toe te passen..... dit is een verkeerde vergelijking deze prehistorische Opamp is geen CHOPPER en is dus appels met peren vergelijken.

Groet,
Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.
RAAF12

Golden Member

Een moderne chopper is bijv. deze http://www.ti.com/product/TLC2652
een chopper gestabiliseerde opamp. Altijd leuk om te zien wat Blackdog er van bakt!
edit: hieronder, ik wist niet dat ie al zo oud was, 1988 staat er in de sheet!

[Bericht gewijzigd door RAAF12 op 26 november 2019 19:47:47 (21%)]

blackdog

Golden Member

Hi RAAF12,

Ik moet je teleur stellen, dat is een chopper uit de oude generatie!
Dit model heeft wel een goed gespecificeerde offset spanning voor het beste model.

Veel andere specs zijn niet meer van deze tijd, kijk maar eens bij de fase marge en de maximaal te leveren uitgangsstroom, dat is schrikken. :-)

Groet,
Bram

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

Ik had vandaag nog even tijd om snel in spice te kijken hoe de psrr van het circuit rond de bd139 was. Het lijkt vooral een afweging tussen snelheid van settelen tot de dc waarde ten opzichte van onderdrukking van verstoring op de +15 voedingslijn te zijn. Dus blackdog je hebt gelijk betreffende dat dit moet werken. Al heeft een goede buffer opamp een hogere psrr. Ik kwam voor jouw circuit uit op rond de 45 dB onderdrukking @ 100 Hz. Denk dat het niet een probleem op gaat leveren als de voedingslijn (relatief) schoon is.

blackdog

Golden Member

Hi,

Even snel tussendoor want er is weinig tijd beschikbaar hier :-)

De opmerkingen betreffende het effect wat de basisweerstand van de BD139 betreft klopte.
Bij het testen van de schakeling op een lineaire voeding die niet ruisarm is bleek dat de lage waarde van de basis pull up weerstand een te hoge ruisbijdrage had.

Maar dat was maar één van de problemen, ik heb een aantal aannamen gedaan en zoals dat "hoort" hiermee een aantal zaken vergeten. :-)
Door de grote waarde die ik had berekend voor de condensator over de opamp C6 van 0,22uF is de versterking van de opamp bij de netfrequentie minimaal geworden.
De uitgangs impedantie van de schakeling en dan bedoel ik over C11 wordt door het gebrek an loopgain niet meer laag gemaakt.
alleen hele lage frequenties die ruim beneden het kantelpunt van het filter liggen werden gecoorigeert.

Hoe kwam ik hier nu achter?
De hoeveelheid "prut" op de uitgang!
Denk dan aan 30uV RMS in een 20KHz bandbreedte.
De eerste stappen was het aanpassen van de aansturing van de basis van de BD139 door de 5K6 te vervangen door een Fetje met 2,5mA IDSS,
mooi, de prut vanaf de voedinglijn was hiermee opgelost maar dat was niet het echte probleem.

Door de lage loopgain wordt e inherrentie Ri van de uitgang en deze bestaat uit de Ri van de emittor van de BD139 en die is 25/1,5 is ongeveer 16Ω + 100Ω en
parallel hieraan de Xc van ongeveer 300Ω wat een uitgangs impedantie geeft van rond de 80Ω bij 50Hz.
Wat denk je nu dat er gebeurd als je een tafel Multimeter aansluit op de uitgang...
En dat hoeft helemaal geen multimeter te zijn het kan ook je vingen/lichaam zijn, die injecteerd een stroom in de uitgang en dat leverd een stoorspanning op, over deze uitgangs impedantie.
Welke dus niet gecorrigeert kan worden door de opamp, daar door de gekozen kantelpunten dit niet mogelijk is!

Het schema is hier aangepast zodat er meer bandbreedte beschikbaar is en ik zit nu bij 22KHz bandbreedte rond de 1,5uV ruis.
Mijn standaard 10Hz, 1Khz en 10KHz filtertjes werken niet goed bij deze opstelling.
Mijn Audio Precision meetset heeft een symetrische ingang wat geweldig werkt voor het onderdrukken van storingen.
Mijn filtertjes zijn asymetrisch en als ik ze in deze meetopstelling toepas dan schiet de commonmode stoorspanning omhoog en de meting is dan onbruikbaar geworden.
Wat ik wel gedaan heb, is wat filtering op mijn scoop instellen om een indruk te krijgen bij b.v. 1KHz bandbreedte als ik naar de Audio Precision uitgang kijk.

Het aangepaste schema voor wat meer bandbreedte, zodat je maar heel weinig van het in de uitgang geinjecteerde stoorsignaal terug ziet,
als je iets aansluit op de uitgang of b.v. de uitgang aanraakt.
Voor de duidelijkheid, we hebben het hier over uV signalen, niet tientallen maar enken uV's ;)
http://www.bramcam.nl/Diversen/Chopper-Opamps/LM399AH-10V-Ref-05.png

Ben ik nu weer klaar met dit schema! Nee, maar is voor nu goed genoeg om met verschillende opamps te gaan testen, dit natuuurlijk nadat ik de opamps in mijn testkastje heb onderzocht.

Tijd is op...

Groet,
Bram

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

Ik volg je topic met aandacht vanwege de OPA189.
Die had ik toevallig geselecteerd bij mijn studie mbt tot al die zelfbouwsoldeerstations. Om het thermokoppel te meten.

Aangaande je oven heb ik toch wel wat kritiek op je isolatiekunsten.
https://static.circuitsonline.net/camo/46c3a096be0517758e4decf32c3033232bbcd52c/687474703a2f2f7777772e6272616d63616d2e6e6c2f446976657273656e2f43686f707065722d4f70616d70732f546573742d4b6173746a652d31332e706e67
Je hebt gigantische koudebruggen.
Kijk hier eens: http://www.joostdevree.nl/bouwkunde2/warmtegeleidingscoefficient.htm#x…
Stel dat je kastje van zink (lambda 110 W/mK)is en je isolatie XPS (lambda 0,03 W/mK).
Je hebt ongeveer 10% van de omtrek niet geisoleerd. Door die 10% kaal zink gaat nu 99,7% van de warmte...
Je isolatie is dus nagenoeg effectloos.

P.S.:
Je kan natuurlijk ook zo redeneren dat 90% van het zink bedekt is met (nagenoeg) perfecte isolatie, zodat 90% van de warmte niet door het zink kan ontsnappen.
Maar dat kan je ook bereiken met een perfect gesloten laagje isolatie van 9x 0,03/110 x2mm zink-wanddikte = 0,005mm.
Als je het kastje van PVC (lambda 0,3 W/mK) maakt is je isolatie al 300x beter dan bij zink.

blackdog

Golden Member

Hi Spog2,

Dank je voor je opmerking, maar... dit is geen oven! :-)
Er is wat isolatie gebruikt om de dissipatie van de LM399 referenties te beperken.

De deksel als hij gemonteerd is, sluit niet eens af, de isolatie heeft alleen als doel het verbruik van de Heaters te beperken.
Ik had al aangegeven dat dit niet de manier is om b.v. de referenties te selecteren op drift, rede is dat je te veel last hebt van meneer Seebeck.
Dit omdat er grote temperatur verschillen zijn ondanks dat ik het zo goed mogelijk bedraad heb, maar Heer Seebeck zit b.v. ook met zijn vingers aan de schakelaar. :-)
De referenties staat in dit doosje te verouderen en dat is het hoofddoel geworden en is ook nooit bedoeld geweest als referentie oven.
Dit is een veroudering/test setup voor b.v. 1/f ruis.

Als je wilt weten wat ik met oventjes doe, dan kan je hierover voldoende vinden hier op CO of EEV blog.

Groet,
Bram

PS
Dank voor de link, handig!

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

Ha blackdog,

Als ik het goed begrijp is het toch zo dat de OpAmp in jou schema de test positie is of..... :?

Groet,
Henk

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

Golden Member

Hi Henk,

Ik ga opamps testen in mijn "offset kastje" voor hun offset en ruisgedrag en
daarna ga ik kijken hoe die opamps werken in het schema dat ik hier heb laten zien.

Is het zo duidelijker?

Groet,
Bram

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

Ha blackdog,

Helder dan zat ik qua gedachte wel goed ;) ik heb ook even niet veel tijd.
Ik wacht af hoe het met de ruis meting lukt dus volg met belangstelling je topic.
Mijn ruis meter staat nu in test hiermee kan je ook een voeding testen (denk ik).
Maar is wel veel groter qua componenten als jou idee vandaar mijn interesse ik zal proberen een blokschema later te uploaden.

Groet,
Henk.

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

Eigenlijk is dat juist de charme van analoge elektronica. Heb je nog last van de Common mode op de opamp voor die laatste uV's? Ik kijk uit naar het vervolg.

rob040

Golden Member

Bram, is er een relatie tussen dit verhaal en de reisreferentie?

blackdog

Golden Member

Hi rob040,

Zie het maar als uitzoekwerk voor een goede referentie buffer, dus ook voor de reisreferentie. ;)
De ruis krijg ik wel mooi laag genoeg, voorlopig zie ik alleen nog niet een oplossing die goed genoeg is wat betreft
de degelijkheid van de schakeling.

Ik wil het graag een beetje dumbo proef hebben.

Jullie zullen zien hoe het geheel gaat vorderen.

Groet,
Bram

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

Golden Member

Hi,

Het is alweer een paar weken geleden dat ik wat heb laten zien betreffende de chopper opamps en de referentie schakeling waarmee ik wil gaan testen.
De laatste keer dus te snel en te weinig nagedacht toen ik poste met als gevolg dat ik een beetje raaskalde. :-)

Maar goed, was een leermomentje en hieronder nu de testschakeling.
De test gaat worden uitgevoerd met de ADA4522 maar de testen met de andere lage offset opamp gaan ook nog uitgevoerd worden.
Het schema is aangepast met een "normale" buffer hier een LT1010 in een PDIP behuizing die niet in de oven komt omdat dit niet nodig is en er is ook geen plaats voor.
Het groene kader geeft de electronica aan die in de oven komt.

Als je goed kijkt zie je ook veranderingen aan de kant van de kachels van de LM399 referentie's.
De diodes ter voorkoming bij kalamitijten heb ik vervangen door een 1Ω weerstand en de voeding van de kachels wordt zwevend uitgevoerd.
De 1Ω weerstand verbind dus de zwevende voeding door met de - niveau van het referentie deel.
De schakeling gaat uit een kleine trafo gevoed worden.
De diode D1, de 1N4007 zorgt er voor dat de kachels niet omgepoold aangeloten kunnen worden.

De Zener delen uit de LM399AH worden gevoed vanuit de uitgang, want dat is de meest stabiele voedingsbron hiervoor.
Je ziet ook nog wel eens dat de voeding uit een externe gestabiliseerde voeding komt, maar dit is nooit optimaal volgens een app note van Bob Dobkin.
En wie ben ik om daar tegen in te gaan :-)

Dan komen we bij de mix weerstanden aan en dan bedoel ik in onderstaande schema de groene R4 en R5, welke 20K per stuk zijn.
Ik heb nog één mooi Vishay dual 20K weerstand op voorraad en grote kans dat deze op die plek komt.
Deze twee weerstanden zorgen er al voor dat door het mixen van de twee referentie spanningen de ruis al 3dB daald.
Maar het wordt nog een flink stuk beter daar C1 t/m C6 welke film condensatoren zijn met een totale waarde van 60uF.
Dat zorgt voor een kantelpunt van iets minder dan 0,3Hz.
De 2x 20K van R4 en R5 parallel zort er voor dat de +ingang 10K ziet en de vervang weerstand van alles aan de -ingang is rond de 9K.
Wat mij betreft is dit mooi genoeg wat bias compensatie betreft.
En dat speeld dus nog steeds mee bij een opamp met Fet ingangen zoals deze ADA4522.
Hoeveel de Bias echt is, is slecht afleesbaar in de datasheet, en zal tussen de 50 tot 150pA zijn.
Doordat alles op 42C gehouden wordt is de temperatuurdrift van de offset en de bias stromen van de ADA4522 geen groot probleem tussen 15C en 30C.
Dit temperatuur bereik zijn enigzins de normale, als je nog nauwkeurige spanning metingen wilt doen.

De LT1010 is aan de uitgang uitgerust met de beveiliging d.m.v een gesplitste uitgangs weerstand met twee Schottky dioden.
De LT1010 kan grote piekstromen verwerken voor een korte tijd en maakt daardoor de schakeling degelijk.
D6 zorgt er voor de de uitgang nooit verder kan worden opgelift dan 12V en als de Referentie schakeling niet aan staat zort D5 er voor dat de voeding van de buffer en de ADA4522 meelift met de aangeboden positieve spanning.
D6 wordt een 1.5KE 12A die ook helpt als er reverse spanning op de uitgang wordt aangeboden, omdat dit een Uni-directional type is.
Misschien zet ik toch nog een extra Schottky over de uitgang in sper, dit i.v.m. de lagere waarde van de geleidings spanning.

De schakeling rond de opamp is ook nu weer opgebouwd al Low pass filter, alleen is het kantelpunt een stuk hoger dan het kantelpunt van het referentie filter.
Hiermoet nog wat metingen aan gedaan worden maar de schakeling opbouw zal wat dit betreft nu niet meer veranderen alleen misschien nog wat waarden van C8 en C10.
C8 heeft een serie weerstadn gekregen om er voor te zorgen dat er wat extra bandbreedte beschikbaar is i.v.m. "snelle" belasting vaiaties.
Als het kantelpunt te laag legt van de filter opbouw, dan wordt het lasting de Ri. van de schakeling laag te houden.

http://www.bramcam.nl/Diversen/Chopper-Opamps/LM399AH-10V-Ref-06.png

De 10K weerstand aan de uitgang dien er voor dat er altijd een belasting aanwezig is die de uitgangs condensator leeg trekt.
Door de andere uitgangs buffer, zal de schakeling niet altijd betrtouwbaar opkomen.
Daar denk ik nog over na om te kijken of ik dit met een paar onderdelen buiten de oven (er is weinig plaats) betrouwbaar te laten werken.

Shoot!

Groet,
Bram

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

Golden Member

Hi!

Vanavond het aangepaste schema getest, en dit schema ziet er zo uit.

http://www.bramcam.nl/Diversen/Chopper-Opamps/LM399AH-10V-Ref-07.png

Nog even over de voeding van de kachels van de LM399 IC's ik heb in het schema geprobeert duidelijk te maken dat de stromen hiervan de referentie schakeling niet kunen beinvloeden.
Maar volgens de datasheet mag de voeding niet geheel zwevend zijn dus is R1 aangebracht van 1Ω die dus beide voedingen koppeld.

De andere aanpassingen bevinden zich aan de uitgang van het schema.
Q1 is aangebracht en ik maak gebruk van een deel van de uitgangsweerstand voor het sensen van de stroom.
R10 en R17 in het schema hebben dus meerdere functies.

1e functie
Bescherming van de LT 1010 buffer, deze kan grote piekstromen leveren en heeft inwendig aan de uitgang al ongeveer 7Ω als serie weerstand,
zodat hij inherrent stabiel is voor capacitieve belastingen en R16 en R17 maken dit nog beter.

2e functie
D4 en D5 samen met R17 zorgen er voor dat als je energie in de uitgang zou sturen als b.v. de referentie uit staat de +15 voeding van het geheel door D5 mee omhoog gaat.

3e functie
R16 en R17 zijn een deel van het Low Pass filter samen met C10 welke na nog een paar te doen testen waarschijnlijk naar 100uF gaat.
Het tweede deel van het filter is de feedback weerstand R13 en R14 samen met C8.

4e functie
R17 is de sense weerstand voor Q1, deze trekt bij kortsluiting de stroom weg aan de ingang van de LT1010 buffer.
De totale stroom zonder D7 en R20 is nu ongeveer 33mA bij volledige kortsluiting.

De Zener D7 en R20 diene er voor dat de schakeling altijd opstart, dat doet hij nu ook zonder deze componenten maar dat is waarschijnlijk afhankelijk van het beetje offset
dat net goed uitkomt om op te starten.
D7 wordt waarschijnlijk 12V, de beperkt de kortsluitstroom die dan voor een deel ook door de collector, Emittor van Q1 loopt.

De ruis gemeten bij een 22Khz bandbreedte zit rond de 1uV RMS, dat kan ik misschien nog een beetje verter tunen, we zullen zien hoever ik daarmee kom.
Vooralsnog ben ik er tevreden over.
De ruis veranders ook niet bij verschillende belastingen, 10mA extra uit de uitgang is niet terug te vinden wat DC shift betreft (kleiner dan 1PPM) en ruisgedrag.

Het gedrag wat ruis betreft met deze buffer is duidelijk beter dan met de transistor buffer.
Dus uiteindelijk heeft Titatommeke wel gelijk wat de buffer betreft, dit is duidelijk beter, nadeel is wel dat een buffeer een stuk duurder is dan een transistor.
Maakt mij niet uit, ik heb hier zeker 50 buffer IC liggen van verschillende typen.
Let wel op dat de eventueel nabouwer een buffer gebruikt die de 15V voeding goed aankan.

Als het meezit in het weekeinde nog wat metingen aan deze schakeling en verslag hiervan.

Groet,
Bram

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

Ha blackdog,

Het koste mij even tijd om het pistool (shoot!) te vinden ;)
Dan een paar ideeën/opmerkingen.

Is het wel een goed idee om het laagdoorlaatfilter tussen LM399 en versterker te schakelen ?
Ik verwacht niet veel voordeel eerder nadelen de versterker die je gaat gebruiken is een Chopper versterker de 1/f ruis is aan de ingang is al gedempt daar kan en tweede orde laagdoorlaatfilter niet aan tippen.
Voor de LM399 is het i.v.m. de lekweerstand van de condensatoren ook niet echt prettig dit geeft een onnodige rimpel op de uitgangsspanning van de LM399.
Als het filter wel op die plaats gebruikt wordt zou ik een image filter bootstrapping techniek gebruiken om de lek te minimaliseren.
Zo'n Chopper vindt het niet prettig om een grote condensator aan de ingang te zien het zijn tenslotte allemaal schakelaartjes en je kunt dan ook baseline vervorming verwachten.
De beste resultaten ( is mijn ervaring ) met een Chopper versterker is als de versterking minimaal 4 keer is i.v.m. het storende component dat is met de LM399 niet haalbaar spanning aan de ingang is al te groot.
Een ander aspect is de En op de inverterende ingang die ontstaat door lek in de Chopper versterker deze ruis wordt door de Fb naar de uitgang gevoerd hier zo goed als kan een lage impedantie gebruiken.
Dus als je de keuze heb tussen 100 k /10 k of 1 k / 100 dan heeft de laatste heeft de voorkeur !!
Voor de instelling zou ik de pot-meter combinatie niet parallel aan R7 R8 schakelen maar op het knooppunt R7,R8 eventueel temperatuur gecompenseerd.
Het start up circuit kan mijn inziens ook door middel van een weerstand van uitgang Chopper versterker naar de + ingang maar ik begrijp dat de schakeling ook nog andere doelen dient.
Nog even terug naar het eventuele filter wat nog wel interessant kan zijn is om achter de Chopper versterker een 4 kHz filter te schakelen met een lage impedantie 100 Ohm of zo dit om de chopper frequentie en harmonische te onderdrukken.

Algemeen: Is het wijs om de Chopper versterker in de verwarmde ruimte te plaatsen ? i.v.m. de EMI van de Chopper versterker dan zijn behoorlijke naald pulsen weliswaar buiten de band maar toch :o
Ik berg hem weer op ;)

Groet,
Henk

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