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.
.
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.
.
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.
.
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.
.
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.
.
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.
.
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.
.
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!
.
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.
.
Een setje oude Choppers van Linear Technologie.
.
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...
.
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
.
En dan nu het laatste plaatje dat laat zien hoe ik de Offset en ruis van de opamps ga meten.
.
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