Раз уж я начал активно задумываться о понижении шумов ГЛИН, то эти шумы нужно чем-то измерять, а достаточно чувствительного прибора у меня нет.
И мне, как и герою фильма, постер которого возглавляет сегодняшний пост, приходится часами на пролет всматриваться в шумы той или иной моей поделки, в поисках чего-то сверхестественного.
А раз нет чувствительного прибора, значит его нужно создать!
Класс малошумящих высоко-чувствительных усилителей не редкость сам по себе, многие кто занимается измерениями пытаются себе такой усилитель создать или купить. Типичная отличительная черта таких усилителей, высокая степень усиления, от x10 000 до x1 000 000, чтобы можно было различать суб-микровольты шума. Но когда измеряешь скажем источник опорного напряжения 7В, если к нему применить усилитель с коэфицентом пусть даже x10 000, то на выходе получится напряжение “овер-дохуя!!!!” 70 киловольт.
Чтобы такого не происходило, постоянную составляющую напряжения режут полосовым фильтром, выделяя диапазон частот 0.1Гц….10Гц. И все-бы ничего…. но когда садишься считать частоту среза фильтра на 0.1Гц, понимаешь, что задача почти не решаема. Поясняю по чему:
Я посмотрел типовые схемы интернет-гиков, народ обычно берет ультра-лоу-нойз чопперы и пытается решить нерешаемую задачу минимизации утечки конденсатора, минимизации шума резистора, минимизации инжекции шума ОУ. И когда импеданс доходит до приемлемых нескольких килоОм, то для обеспечения частоты среза 0.1Гц, ёмкость отсекающая постоянную составляющую растет до тысяч микрофарад. А все потому, что кругом одни “копирасты”, которые обучены только читать аппноты(на подобии этого), и слабо обучены думать и задаваться вопросом “как можно решить эту задачу?”, и уж тем более, совсем не обучены электрометрии.
А теперь представьте себе, у Вас RC фильтр с частотой среза 0.1Гц, после которого стоит усилитель с Gain x10 000+++, сверх-высокочуствительный к каждому микровольту после RС фильтра, на входе которого(фильтра) потенциал 7…10 вольт, или более. Подставу уже чуете? Правильно! Опытный читатель блога знает, что нет на планете земля такого конденсатора, который-бы при тысячах микрофарад емкости, обеспечил-бы малую диэлектрическую абсорбцию и малые токи утечки.
И тут у народа начинает нести крышу… Они самоотверженно ищут пленочные конденсаторы с малой абсорбцией и малыми токами утечки, а именно пленочные, высокой емкости, и начинают строить из них сверх-большие батареи конденсаторов. Но пленка высокой емкости тоже течет, ибо пленка на микрофарады в малом корпусе не идеальна.
Пыжась, тыкаясь, рыдая, народ эту проблему более менее решает, и сильно радуется тому что удалось получить нижнюю частоту среза 0.1Гц. В качестве примера, привожу схему коллеги Михаила. (см. конденсатор C1, это наборный конденсатор из целого мешка пленок)
А если включить мозг?
Так вот, если его включить, то можно узнать, что вовсе не обязательно следовать этим канонам. Можно применить концепт “емкостного усилителя”, в плечах которого не резисторы задают коэффициент усиления, а конденсаторы, в схеме активного усилителя на ОУ:
Где коэффициент усиления переменной составляющей задаться соотношением плечей конденсаторов C1/C2, а частоты срезов задаются резисторами R1(верхняя) R2(нижняя). И о чудо! Советские идеи инфра-низко-частотной техники, позволяют уйти от шума резисторов, перейдя к шуму емкостей. Которые позволяют получить некоторые на порядок более эффективные конфигурации.
Применив распространённый малошумящий, полу-прицизионный ОУ с полевым входным каскадом, к примеру Texas Instruments OPA140, с типичными токами входов менее 1пА, можно смело ставить на него не такие высокие как у “коллег” емкости. К примеру я поставил C1/C2=10мкФ/5нФ, что дало коэффициент усиления x2 000. А поскольку верхняя емкость не велика, я набрал ее из высококачественной пленки K71-7 500нФ +-0.5% 250В, которой я прикупил как-то целых две коробки, за очень дешево.
Гнать коэффицент усиления в миллионы нет никакой необходимости, т.к. усилитель ставится между исследуемым устройством и мультиметром, у которого усилитель уже есть. Как нет и необходимости удалять постоянное смешение выхода усилителя, образуемое из за токов утечки или токов ЛИН. Ну по крайней мере нет нужды именно для моих мультиметров, так как с помощью обратной функции “mx+b=-0.0005x+0” мультиметр не только пересчитывает напряжение с учетом коэффициента усиления 2000, но и учитывает что усилитель инвертирующий. А с помощью относительных измерений(функция Relative) легко убирается постоянная составляющая.
Быть-может есть смысл в усилении x1 000 000, чтобы 1мкВ=1В, если рассматривать это на осциллографе, но как раз осциллограф менее удобен для частот менее 10Гц. Для таких частот самое-то высокопроизводительный мультиметр и часы логирования, и мат. анализа, а не осциллограф.
В нижнее плечо поставлены тоже К71-7, но Особой-Селекции, хотя можно было-бы применить и обычные…. Но у меня обычных на 5нФ просто нет.
Резистор R1 вычисляется так, чтобы на частоте 10Гц был срез по уровню -3dB. А резистор R2 подбирается по вкусу, так чтобы он смог в предельных режимах компенсировать токи утечки наборной батареи конденсаторов “C1”, не позволяя уйти усилителю в “вечный оверлоад”. И о чудо! У меня вышло, что утечка и эффекты диэлектрической абсорбции у полистирольных конденсаторов К71-7 настолько малы, что для гарантированной и приемлемой их компенсации достаточно даже резистора КВМ 10ГОм. А это дает нижнюю частоту среза по уровню -3dB 0.003Гц !!!!! Из за того, что резистор R2 работает не на полностью идеальные компоненты, частота среза по уровню -3dB получается несколько выше, где-то около 0.02Гц.
Что, слабо тебе Иллон Маск сделать на коленке, усилитель с полосой 0.02Гц….10Гц с чувствительностью лучше 1мкВ, из говна и палок? 
Это лишь прототип, в котором не учтены нюансы правильного фильтрования питания, утечек, наводок, паразитных емкостей, и т.п. Конечно-же стоит его сделать более “правильно”. Но этот прототип показывает, что даже в таком виде, концепт работает!
Покажу на практике, что это дает:
Замер одного из трех ИОН из материала “Самодельный ИОН 10.6В на базе Linear technology LM399AH“, с помощью обычного 6.5 разрядного мультиметра дает следующие данные о его шуме:
(5мкВ/клетку, длительность измерения 10 мин)
Другими словами…. мало что дает… ну чо-то шумит…. что не ясно, спектр шума не ясен, профиль не просматривается…
Подключаем новейший инфра-низко-частотный LNA с диапазоном 0.02Гц…10Гц “из говна и палок”, с коэффициентом усиления 2000 между ИОН и тем-же мультиметром, и получаем разительно иную картину.
(5мкВ/клетку, длительность измерения 10 мин)
Сразу картина становится четкой и ясной, виден характерный “телеграфный” шум, который мультиметр сам по себе не смог четко рассмотреть.
Чтобы не быть голословным, когда я пишу о суб-микровольтах, привожу замер собственного шума усилителя с входом заглушенным колпачком.
(5мкВ/клетку, длительность измерения 10 мин)
Ст.девиация=33.3 нВ
Пик-ту-пик=130.5 нВ
Но я не пишу о том, что это усилитель с чуйкой 100нВ, т.к. вопрос это довольно относительный, и сильно зависит от множества факторов, в том числе и от диэлектрической абсорбции конденсаторов. По этому будем довольствоваться формулировкой “усилитель с чувствительностью в суб-микровольтовом диапазоне”. 
А если подключить в цепь обратной связи дополнительные компенсационные резисторы, для чего на крышке бокса выведен доп. разъем, то можно этот концепт ограниченно применять и для измерения шумов ЛИН. (проверено!) Доп. резисторы нужны, чтобы помимо обычной утечки C1, обратной связи хватало тока, чтобы компенсировать постоянную составляющую тока образуемую ЛИНом. Правда при этом понижается полоса, но даже с более узкой полосой эта коробочка все еще полезна!
PS. Я не говорю, что мое решение единственно верное…. Я говорю что право на жизнь оно имеет. О чем собственно и данный материал. А Мише привет!!! Я весь вечер пытался найти фото его усилителя, с эпичной батареей конденсаторов, но видимо эти фото стали жертвой боевых действий. Жаль!!! Я еще помню, как Миша мне ее показывал на каком-то форуме, и говорил, что было эпически больно ее разбирать, когда потекло несколько конденсаторов. Я тогда еще думал – “ой как сложно… не стоит оно того… сплошные проблемы”, однако всего один день раздумий и сборки прототипа, показал, что оказывается все очень просто и все необходимое у меня уже есть…. даже покупать ничо не пришлось.
UPD: Благодаря коллеге с форума, искомое фото усилителя Михаила нашлось тут!
Это как раз то о чем я писал выше…
