Hi,
Doel
Al heel lang wou ik een beter testkastje hebben dan dat ik heb laten zien in het "Meten aan Chopper en AutoZero opamps" op dit forum.
Omdat ik veel metingen moet doen aan ongeveer 10 stuks opamps, is een testomgeving die het makkelijk maakt deze metingen te doen wel een uitkomst.
Het wordt een enigzins universeel meetinstrumentje die in de basis gelijk is aan de eerste versie die ik heb laten zien,
alleen uitgevoerd met een extra versterkings stand en een aantal ingebouwde filters die schakelbaar zijn.
Uitvoering
Dit testkastje wordt gemaakt voor enkel opamps en als het geheel goed werkt dan kan ik altijd nog een versie bouwen voor dual opamps.
Maar van de meeste "goede" opamps, daar gebruik ik bijna altijd de "single" versie van, omdat deze altijd de beste specificaties heeft.
"Architect Specifications"
De gebruikte opamps moeten in het kastje moeten +-20V aan kunnen.
Het testkastje is alleen bedoeld voro het meten van spanning ruis en bevat geen mogelijkheid tot het meten van stroomruis.
Deze stroomruis kan natuurlijk wel de metingen beinvloeden, maar door de hele lage weerstand van R2 zal dat alleen bij de beste opamps die beneden 1nV√Hz gaan meespelen.
De weerstanden die de versterking instellen van de D.U.T. moeten zo gekozen zijn dat de "Johson ruis" laag is zonder andere eigenschappen te veel aan te tasten.
De D.U.T. mag door de filter schakelingen niet te veel belast worden.
De D.U.T. moet geholpen worden in de hoge versterking standen die nodig zijn bij ruisarme opamps.
De D.U.T wordt in een "Compound" configuratie toegepast door een tweede opamp NE5534A, die als 30dB versterker staat ingesteld.
De volgende filters in 18dB/Oct zullen worden toegepast:
Comby filter /- 0,1Hz - 10Hz -\ dit is het basis filter waar ook veel spannings referenties mee worden gemeten om te kijken hoeveel 1/f ruis ze hebben.
100Hz Low Pass
1KHz Low Pass
10KHz Low Pass
250Hz High Pass
Breedbandige Scoop uitgang
Symetrische uitgang voor de Audio Precision meetset en/of mijn meetcomputer
Mogelijkheid tot het injecteren van een testsignaal in de D.U.T.
I.V.M. het meten aan zeer kleine signalen komt de voeding niet in het test kastje.
Voorlopig gebruik ik een van mijn regelbare voedingen voor dit apparaat.
De bedoeling is een extreem ruisarme regelbare voeding te maken met wat opamps zodat ik geen last heb van prut op de voedings lijnen.
In principe hoeft deze voeding maar heel klein van vermogen te zijn, denk aan 25mA, de filter opamps kunnen uit een standaard voeding gevoed worden.
.
Schema uitleg
Mooi, dit is de opgevoerde testschakeling zonder de nog bij te plaatsen filters en ook de niet aanwezige ontkoppel condensatoren die apart vermeld gaan worden.
En dit is een kleine uitleg van de eerste versie van het schema.
De D.U.T. is duidelijk aangegeven maar niet "plugbaar" in het schema getekend, dit is met opset gedaan om het schema zo duidelijk mogelijk te houden.
Dit geld ook voor de hier niet getekende ontkoppel condensatoren die natuurlijk wel heel hard nodig zijn!
Ruis
Kijk nu naar R2, dit is een weerstand van 10Ω, deze is om de volgende rede laag gekozen,
er zijn steeds meer opamps verkrijgbaar die een heel laag ruisgetal hebben en de weerstanden die de versterking instellen mogen niet te veel ruis toevoegen.
Dus je wilt niet dat de weerstanden die je versterking instellen meer "Johnson Noise" genereren dan je te testen opamp.
Bijvoorbeeld een 1K weerstand van goede kwaliteit genereerd de volgende hoeveelheid ruis bij 25°C, 4,07nV√Hz
Dat komt op het volgende neer 0,573µV RMS bij een 20KHz bandbreedte.
Een weerstand van ongeveer 60Ω is 1nV√Hz, dan zit ik met de 10Ω in deze test setup gunstig.
Versterking
S1 geeft de mogelijkheid tot het instellen van de versterking dan de D.U.T. versterker en dat is 1000 of 10.000x of in dB's 60 of 80dB.
De 80dB moet het mogelijk maken met mijn Hameg scoop het gedrag van de opamp goed te onderzoeken.
Rede Compound trap
De compound versterker trap heb ik toegepast omdat ik ook filters met dit trapje wil aansturen en dat omdat het meerdere filters zijn ik de D.U.T. hiermee niet wil belasten.
Verder ook omdat niet iedere opamp het trekt om te staan ingesteld op 80dB spannings versterking
Dus de NE5534A dient hier als buffer en als 30dB versteker trap om een aantal problemen te voorkomen.
NE5534A compensatie condensator
NEE! er zit geen 22pF over de compensatie aansluitingen van deze opamp, als ik hem wel getekend zou hebben, mogen jullie mij bij de vuilnisbak zetten
Die condensator is alleen noodzakelijk als de versterking kleiner wordt dan 3x bij jouw schakeling en hier is juist de extra bandbreedte nodig om de uitgang impedantie laag te mogelijk te houden en de bandbreedte zo groot mogelijk.
De D.U.T. versterkt dus 30dB of 50dB en de ruis en de offset spanning worden dus door de D.U.T. bepaald.
Wel heb ik voor gezorgt dat de weerstanden R6 en R7 laag genoeg zijn, maar weer niet zo laag dat de NE5534a te veel belast wordt.
Door de hoge versterkings waarden hoef ik bijna niet bang te zijn voor een te kleine fase marge van de Compound opamp, maar ik denk dat voor de hele snelle opamps (video typen) dit kastje misschien toch wat minder geschikt is.
Versterking keuze
De schakelaar die de versterking bepaald is met opzet zo getekend zoals in het schema staat, door R3 en R4 direct aan de -ingang te monteren net als trouwens R1 en R2.
C1 over R3 van 100K helpt bij de paracitaire capaciteiten bij deze hoge weerstands waarde.
Alle componenten aan de -ingang van de D.U.T. worden zullen zeer kort gemonteerd worden!
DVM Uitgang
Ik heb hier gekozen voor een DVM uitgang met een kantelpunt van rond de 20Hz voor een zo stabiel mogelijke uitlezing/middeling van de DC offset spanning.
De eerste versie van het schema dat ik waarschijnlijk morgen opbouw.
Info over ruis
Link met duidelijke info over ruis:
https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/thermal-noise
.
Application note van Analog Devices met veel info over ruis vanveel van hun opamps .
www.bramcam.nl/NA/NA-Opamp-Offset-Noise-Test-Device/AN-940.pdf
Blok Schema
.
En dan nu nog twee plaatjes van en van de Low Pass filters, deze keer heb ik de online Spice gebruikt van Okawa om de 18dB/Oct filters te maken:
http://sim.okawa-denshi.jp/en/Multiple3tool.php
Dit is het bassis 1KHz Low Pass filter.
.
Dit is de bijbehorende Bode plot
.
De deel schakelingen zijn impel van opbouw en voor een aantal filters ga ik een quad opamp (OPA4140) gebruiken zodat het compact kan blijven.
Ik zou zeggen: Shoot @ It!
Groet,
Bram
PS, morgen haal ik wel weer de storende taalfouten er uit die ik nu niet zie