LNA 60dB D100

[Braca]

Hvala Dragane, hvala na podršci, ovo sa prednaponom mi je izmaklo.

Na žalost, imam samo jedan LiPo akumulator i on mi vozi Wurcer-ov LNA.
Test ću u svakom slučaju uraditi s niskošumnim napajanjem od ­ ±11,5V, imam za to dovoljno mogućnosti.

[Braca]

Danas stigle pločice za ULNA modul i ostatak materijala .

Lemljenje modula neće biti problem, ali kod aktuelne verzije matične pločice vidim velike poteškoće kod podnožja za PCIe.
MP nisam naručio, ali na slikama vidim da rastojanje između podnožja ne dozvoljava pristup lemilici kod dva središnja podnožja, tj. prvo i poslednje se mogu zalemiti, ali dva srednja ne.
Svako podnožje ima po 36 nožica s rasterom od 1mm i to je već izazov, pa ako dođe do GB možda bi MP trebalo naručiti sa unapred zalemljenim PCIe podnožjima.

Dakle, štampam šemu i počinjem da lemim...

[savan]

Svi bi trebali da imamo jednu ringlicu za ove stvari ukljucujuci i mene, ovo je inace jednostavno za zalemiti uz pomoc paste za lemljenje i ringlice koja greje pcb sa donje strane, ja sam imao slican problem kada sam lemio releje za tonsku kontrolu a da sam imao ringlicu to bi bilo mnogo lakse zalemiti, sa duvaljkom nebi trebalo takodje da bude problema sa odgovarajucim vrhom, hoce nekad da malo izoblici plastiku ako se previse duva u mestu tako da je ipak pozeljno imati ringlicu za takve stvari gde je plastika.

[Khadgar2007]

Braca, ja mislim da dosta fluksa, tanki vrh za lemilo(oko 1mm) i jako malo tinola bi trebalo riješiti stvar. Ako se zezne možda pomogne pletenica za odlemljivanje u odstranivanju viška tinola.

[gorso69]

Braco,
Šta bi sa ovi projektom?

[Braca]

Imali smo intenzivne aktivnosti na prototipu, sve negde do kraja juna o.g.
Prototip je proradio već u prvoj verziji, ali prag ekscesnog šuma (u delu 1/f) nije odgovarao očekivanjima, odn. simulacijama.
Posle ispitivanja niza mogućih uzroka, ustanovili smo da je uzrok te anomalije izvor konstantne struje - kada smo modul okačili na Gronerov CCS dobili smo očekivani profil šuma.

Dakle, potrebna je modifikacija izvora konstantne struje, što znači i nova verzija pločice.

[gorso69]

Hvala na informiciji

[Boban]

Ajde momci, izgurajte ovo do kraja. Skroz je profi.

[Dragan100]

Hvala drugovi na ohrabrenju i lepim rečima, ...da ne posustajemo usred rada!

Kao što je več Braca napomenuo, imali smo intenzivnu razmenu mailova, 
Braca odradio prototip modula ULNA, 2xJFE2140 + OPA1655, što nije bio nimalo mali zalogaj,
kasnije počeo i sa merenjima!
ULNA PCBjčič prototip je sa DCservoem proradio "iz prve", doslovce!
Kod detaljnog merenja izlaznog šuma, sa kratkospojenim ulazem, sa TOT Gain-om od 1000V/V ili 60dB
dobio je iznenadjavajuči rezultat povišanog 1/f područja, tako zvani excessiv noise, kojeg nebi smelo biti po grafovima šuma iz DSa JFE2140.
Pokušalo se ustanoviti odakle potiče povišani 1/f noise,
izmedju smo (ponajviše je to odradio Braca, ja sam bio samo mail podrška!!!  :-)) isprobali razne zamjene/poboljšavanja svake tačke/elemenata ulaza -CCSa-opamp
ali se taj povišani šum nikako nije spustio, "persistirao danima" - čitaj bezbroj probama/merenja/izmjenama!
Ispod graf šuma sa LME49990, REF umesto LED stavljeno 3x1N4148, otpornik u CCSu->biasu REF usitnilo se ga sa 6x180R=1K08 da smanjimo i tu excessiv šum otpornika



Na gornjem grafu se vidi to uzdignuto 1/f  područje, pomaknulo se udesno i povišalo na vrednosti u LF području. Očekivano je bilo 1/f koljeno na nekih 20...30Hz, a u grafu oko 1KHz,
a vrednost (pojačana za 1000x) iz HF područja gdje je šum oko 580nV/sqrt(Hz), bi trebala se povečati u LF području ne preko nekih 2...2,5uV/sqrt(Hz).
Vrlo uniforman šum u grafu, blago koljeno 1/f, vrlo nalik excess šumu "malo lošije kvalitete" otpornika....
Koji je to elemenat koji nam injicira taj šum? ...

Na kraju, da smo 100%+ sigurni, da taj povišani šum ne potiče baš iz ulaznih paralelovanih 4xJFETova (2xJFE2140) - morebit da se nema odstupanja od krive šuma tih upotrebljenih JFETova,
da nije došao pod ruke baš koji "fluke" karakteristika!!!???,
Braca odlučio upotrebiti Gronerov LNA PCB kojeg je skoro več popunio, i umesto predvidjenih po originalnoj verziji 8xBF862, ubaciti 2xJFE2140, koji su bili več zalemljeni na ULNA PCBjčič,
Gronerov poboljšani CCS davao je več potrebnih 8mA za potrebe 4JFETa!



Rezultati su pokazali očekivanu krivu šuma i njegov nivo.
Po gornjoj slici vidi se kako je bilo merenje odradjeno, otvoreno, bez šildinga..., tako da ti špicevi freq gradske mreže (donji graf) i njegovi viši harmonici (i oni pojačani 1000x) ni puno "ne iskaču"!
:-)
2xJFE2140=4xJFETova daju po donjem grafu ulazni šum oko 550pV/sqrt(Hz), 1/f na koljeno par Hz, svakako ispod 10Hz



Kakoo dalje, kao što Braca kaže: " Dakle, potrebna je modifikacija izvora konstantne struje, što znači i nova verzija pločice."

Nešto sam počeo več da modifikujem, eliminisao sam caskodu ulaza, CCS odradio ala Groner, time da sam razdvojio CCS u dve strujne grane, svaka za svoj par JFE214,
time dobivam veči otpor po grani CCSa i viši napon REF CCSa (oba zadužna za manji šum CCSa!!!)
Otpornik CCSa je onda "usitnjen" na 9...10 otpornika manje vrednosti, time se dobiva niži NoiseIndex NI (ovog malo gdje uopšte nadjete po DSovima otpornika),
jer NI se smanjuje (poboljšava) sa manjim naponom po otporniku (manji BIAS).
Napon REF CCSa je takodjer dodatno tretiran za što manji šum.
Uds JFETova spustio sam na Uds={2x Ugs_off_max} što je za JFE2140 oko 2,4V, pa je to i druga REF za potrebe ulaza opampa.
Bit če ukratko i shema, pa če se vidjeti te min razlike-dopune.

[Braca]

Uz izvinjenje, ovde je potrebna jedna korekcija: spektar šuma koji sam letos poslao Draganu (drugi u njegovom prilogu) je pogrešan, jer su vrednosti šuma više nego 10 puta veći od stvarnih. 
Mojom greškom taj spektar sa greškom u kalibraciji mernog sistema nije bio izbrisan, već je otišao Draganu.

U prilogu je korektan rezultat - prag šuma jednog ULNA modula napajanog Gronerovim CCS je 473nV/rtHz, tačno tamo gde ga očekujemo.

[Dragan100]

Hvala Braca na korekciji grafa merenja ULNA modula u predhodnom postu.

Gronerov LNA => GLNA je Braca upotrebio za merenje JFE2140 (2kom=4JFETa), kako bi bili 100% sigurni, da taj neočekivan povišan ekcesni šum koji nem je persistirao ne potiče od njih!


Za sve one koji volimo nešto iz grafa "pročitati"!!!  
:-)

U ovom gornjem grafu vidi se tendencija 1/f (prije pominjanog ekcesnog šuma) i njegovog koljena (iz grafa je to ranga oko 20...30Hz) i nagib (blag, nije strm, ne penje se brzo) u rajonu nižeg od koljena.
Mada u rajonu ispod 10Hz počinje sve da bude škakljivo, vremena postaju duga...

Ovaj graf ne pokazuje sasvim tačnu sliku, 
kalibracija koju odradimo da bi imali tačnih 60dB pojačanja daje za rang 10...12% manji šum od teoretski očekivanog.

-kratkospojen ulaz i sa 2xJFE2140 izmeren je HF šum (iznad >1KHz) 473pV/sqrt(Hz), 
-onda je na ulaz stavljen 50R, koji na sobnoj temp 27°C (tačnu temp zna Braca, ...ljeti, vručina, u sobi radi klima....) daje sam otpornik uniforman šum od oko 910pV/sqrt(Hz)

skupa sa prije izmerenim kratkospojenim ulazom očekivali bi šum oko SQRT(473^2+910^2)pV/sqrt(Hz) = 1025pV/sqrt(Hz)
i ne tih, u grafu, oko 920pV/sqrt(Hz), odokativno
razlika za cca 10% manja,

jer bi trebao biti onda 50R ohladjen tekučim azotom na cca -70°C, tada bi imao 50R vlastiti termički šum ranga 750pV/sqrt(Hz),
da bi dobili takav rezultat (473^2+750^V)pV/sqrt(Hz)=> oko 920pV/sqrt(Hz) iz grafa 

ili 50R nije taj, nego imamo na 27°C zapravo otpornik od 12R3
:-)

Dopisivali se sa Bracom oko toga, 
ali tada nas je više zanimala uopšta tendencija 1/f šuma (njegovo koljeno, nagib šuma u rajonu 1...10Hz dekade...), da ne potiče iz naslova JFE2140,
nego da su nas zanimale baš tačne absolutne vrednosti šuma,

tako da se nije odradila tačna kalibracija, jer nam zapravo nije tada ni trebala. Pa i zatraje odraditi takvu kalibraciju!

Kalibracija (jedan od načina kojeg možemo lakše odraditi u DIY)

sobna temperatura neka je za primer tih gore pomenitih 27°C 

imamo ULNA 2xJFE2140=4xJFET i očekivali bi rang šuma po DS od oko 550pV/sqrt(Hz), svaki JFET je biasiran sa oko 2mA i sa Uds ranga 2,5VDC
Da bi izmerili na izlazu ULNA pojačan (za +60dB) ulazni šum 10nV/sqrt(Hz) = SQRT{(šum otpornika na ulazu)^2 +  (0,550^2)}nV/sqrt(Hz), potreban nam je otpornik na ulazu koji bi davao term.šum od 9,985nV/sqrt(Hz)
a to je kalkulacijom ( term.noise = √(4kTBR)  ) otpornik od 6K015,
onda bi trebali na izlazu ULNA izmeriti 10uV/sqrt(Hz), a da bi se izbegnuli pogrešku u rajonu 1/f šuma, pogledamo merenje na dekadi {1...10}KHz
odčitavamo nešto drugo?, manje, više od tih  10uV/sqrt(Hz)?

onda se podešava GAIN na tačnih/očekivanih 10uV/sqrt(Hz)  

"Predvidjeli smo" ulazni kratkospojeni šum ULNA na 550 pV/sqrt(Hz). Koliko je pogrešak konačne kalibracije GAINa zbog toga? Za koliko možemo biti široki u pogrešku ulaznog kratkospojenog šuma?

Pošto je šum SQRT{(otpornika 6K015@300°K kalibracije na ulazu)^2 + (ULNA_input GND@550pV/sqrt(Hz))^2 } => ranga 10000pV/sqrt(Hz) 
a u kalkulaciji imamo sumiranje kvadrata, 
zapravo kratkospojeni ulazni šum ULNA manje utiče na kalibraciju samu, predvidjeli smo ga oko 550 pV/sqrt(Hz) po DS vrednostima, 
što je za 20x manji od šuma kalibracijskog otpornika,

a za pogrešak od {+1% i -0,1%} kalibracije bi trebao biti šum kratkospojenog ulaza ULNA ranga {uopšte nemerljiv -> imali bi samo šum kal.otpornika ... do šuma ULNA od 1500pV/sqrt(Hz) } 

6K015 odradimo sa 6K2//200K što je 6K014
Kod merenja šuma onda prvo izmerimo temp otpornicima i izmerimo vrednost paralelne veze otpornika, 
onda izkalkuliramo term.šum na datoj temp i umerimo GAIN na izračunatu vrednost!
Popravi GAIN -> izmeri, pa ponovo popravi GAIN -> pa izmeri, 
jel se izmedju ugrijalo u prostoriji, ugrijali se kalib.otpornici, izmeri otpornike (temp, vrednost)->iskalkuliraj->odradi merenje šuma

Trivialno zar ne!!!???
:-)

[Bocko]

Dragane, pitko, kao mlado izbistreno vino
Školski objašnjeno, baaš sa guštom!

[savan]

Lekcija i za neke buduce preampove predpostavljam, u svakom slucaju svaka Vama cast!

[Braca]

Dragan, kao i obično, sa egzaktnom analizom.

Sada jadan merni inženjer mora da se vadi i pravda .

Kao što je Dragan već napomenuo, ovo je bilo preliminarno merenje, čiji je cilj bilo da se nađe uzrok visokog ekscesnog šuma u prvoj verziji LNA, pri čemu je apsolutni nivo praga šuma bio manje interesantan, ali je ipak trebalo da bude unutar neke šire tolerancije.
Ne sećam se više koju kalibraciju Cosmosa sam koristio, ali je gotovo sigurno da je to bila ona za FS od 4,6229V sa kojom merim THD.
Za 50R i niže važi kalibracija sa FS od 4,72V (zadnja zapisana), koja se pre svakog merenja posebno proverava i koriguje jer je zavisna od temperature, pa čak i od kablova koje trenutno koristim.

Cosmos ima jako dobru linearnost, ali kako se broj bitova u rezultatu smanjuje, greška raste.
Ako se dobro sećam, jednom sam okačio tabelu sa teorijskom analizom te greške.

[Dragan100]

Sada jadan merni inženjer mora da se vadi i pravda 

Kao što je Dragan već napomenuo, ovo je bilo preliminarno merenje, čiji je cilj bilo da se nađe uzrok visokog ekscesnog šuma u prvoj verziji LNA, pri čemu je apsolutni nivo praga šuma bio manje interesantan, ali je ipak trebalo da bude unutar neke šire tolerancije.

:-)
Ma Braco, kako sad da se vadiš i pravdaš, nema potrebe uopšte, kad si unapred napomenuo za tu NE-kalibraciju!!!
Tražili smo taj excessni šum, mislim ti si ga tražio, ja bio samo email podrška :-) , i na kraju ustanovili da ne potiče "iz možda" kojeg "fluke" JFE2140!
Mogu ti se samo zahvaliti za uporan rad oko ove naše ULNA, pa merenja, usput ideja...itd!!!

Moja Analiza grafa odradjena u svrhu prezentacije forumašima, napisao sam: 

"Za sve one koji volimo nešto iz grafa "pročitati"!!!!  
:-)
da se vidi, kako se pristupa "čitanju" nekog grafa, pa kalkulacije koje prvo odradimo uz pomoč DSova i onda očekivanja i kasnije komentari rezultata iz grafa.

Da nebude nedorečeno i naopakoo razumljeno,
Evo kako beše po emailu 15.juna ove godine:

"Zdravo Dragane,

Evo prvih rezultata merenja šuma ona dva JFE2140 na pločici ULNA, pri čemu sam koristio Gronerov CCS od 8mA.
Pošto pločica Gronerovog LNA koji pravim nije potpuno gotova, pojačanje kada zakačim ULNA modul je oko 80dB, 
a pošto je sve na stolu i neoklopljeno, mrežne smetnje su jače nego obično.

Međutim, to ne smeta da se jasno vidi prag šuma i dobiju relativno korektni numerički rezultati u kratkom spoju i sa 50R na ulazu.
Dakle, 2xJFE2140 imaju pri kratko spojenom ulazu i struji od 4x2mA šum od oko 0,56nV/rtHz i 1,05nV/rtHz sa 50R na ulazu, 
što nam daje šum otpornika od 50R na nivou od 0.89nv/rtHz.

Prema tome, rezultati su u granicama očekivanih.

Kao što vidiš na spektrima, koleno 1/f se praktično ne vidi (deo ispod 10Hz nije 100% pouzdan), što je rezultat koji dobijam i sa originalnim Gronerovim LNA.

Pokušaću još da sve spakujem u neku konzervu da bih umanjio mrežne smetnje, ali ne verujem da bi to bitno uticalo na profil šuma.

Sada imamo znatno slabije smetnje i pouzdaniji rezultat, koji se u apsolutnim brojevima razlikuje od prethodnog jer je tačnost ADC-a na nivou nižem za 20dB od prethodnog merenja slabija.
Tu bi sada trebalo ponovo kalibrisaati ADC za opseg ispod 1uV, ali mislim da u ovom trenuitku to nije neophodno.

Prema tome, sada imamo odgovor na pitanje da li su JFE2140 "zaslužni" za segment ekscesnog šuma 1/f koji smo izmerili na pločici ULNA.

Pozdrav,
Braca"

Uslijedio je moj odgovor:
"
Dobro jutro Braca,

več jučer sam pogledao tvoje zadnje rezultate, što izgledaju obetavajuče,

Kalibracija nije potrebna, lako možemo skalirati očekivan rezultat (50R i 4JFET = cca 1,040nV/sqrt(Hz) ) sa merenim rezultatom 903pV/sqrt(Hz),
bitnije je, što si i sam spomenuo, da segment ekcesnog šuma kod ULNA ne potiče iz JFETova,
nego iz topologije (VAS, bias VASa, CCS, balansirni otpornici ispred ulaza OPAMPa...).

Znači slijedi obavezno redesign pomenutog dijela!

LP
Dragan"

Redesign ULNA se radi, usput bezbroj simulacija, 
izlazni šum jednog modula ULNA @60dB pojačanja i kratkospojenim ulazem In_GND izgleda ovako



Bracino merenje 2xJFE2140=4JFETa na ULNA i spojeno na Gronerovu PCB LNA, i napajano sa njegovim poboljšanim niskošumnim CCSom @8mA->@2mA/JFETu


Obečavajuče!?  Pa jeste!  ali su skale malo drugačije razvučene, jedna ide do 1Hz, druga se zaustavlja kod 2Hz, pa je teže uočiti sličnost nagiba 1/f šuma
:-)

Radim sada na DSservou, koji utiče na LF odziv pojačanja, jer ima impakt preko ulaznog otpornika i ulaznog konda, ujedno nesmem mu previše usporiti odziv...
Bit  če ukratko koja shemica, da se vidi napredak.