Исследуем параметры усилителя

Когда что-то делаешь, первоочередное это определить, что за такую неведомую ебанную херню ты сделал. Другими словами, надо ее измерить. Чем мы сейчас с Вами и займемся на примере усилителя! mail

Читать далее «Исследуем параметры усилителя»

Застрял….

Все выходные чо-то размышлял о плате ЦАП-а, перебирал возможные варианты, и чо-то все чем-то не устраивали, то какой-то overkill выходит, то бред…

Черт!!! Наверное плюну на все это, и сделаю то, что есть сейчас.

Из последних идей была следующая: задействовать вообще все заказанные на данный момент стабилитроны, ибо ни в каком обозримом будущем под них других проектов у меня нет. А чтобы сэкономит тепло, и не иметь проблем с перегревом ОУ, драйверы питания будут выполнены на управляемом NPN транзисторе и балансире на резисторах, которые буду размещаться в том-же термобоксе, что и стабилитроны. Наверное применю что-то простое, типа NXP, но в корпусе SOT-223 и пару резисторов 1206.

Вторичная, но как мне кажется, не менее важная идея – сохранить концепт виртуальной земли, чтобы максимально обеспечить не только кельвиновское подключение к частям блока ИОН, но и свести на ноль ток протекаемый  через землю, потому как от 6-ти зеннеров ток уже весьма солидный, около 20мА. Который в классическом включении необратимо вызовет смещение потенциала земли.

Концепт ОУ вероятно оставлю как и планировал сдвоенная Супер-β типа  OPA2202, и в качестве выходного буфера ЦАП малошумящий, но высокоскоростной OPA211. Поскольку у них вполне подходящие под задачу дрейфы и а параметры шума на голову превосходящие параметры даже группы из 6-ти зеннеров.

4 > 2 !

Размышления над концептом платы ЦАП продолжаются…. Взвесив все “за” и “против”, а так-же учитывая то, что у меня заказано две партии ADR1399KEZ по 2 и 4 штуки, итого 6 штук. А так-же учитывая, что ни на какое ближайшее время применений этим стабилитронам нет, кроме как поставить их в ГЛИН. Было решено, что лучше двух стабилитронов в опоре, могут быть только 4 стабилитрона в опоре crazy Да и задачу по трассировке это мне не усложнит, так как стабилитроны можно установить симметрично, один под другим, по разные стороны платы.

Суть сего действа в том, что увеличение количества стабилитронов до двух на каждую рельсу опорного напряжения, понизит шум в среднем на “корень квадратный из двух”, то есть 1.414, и в результате шум должен уменьшится до 1 мкВ в диапазоне малых частот от 0.1Гц до 10Гц, который не покрывается выходными фильтрами, т.к. их частота среза около 7Гц. А один микровольт шума, это 0.01% AC составляющей в DC токе при скорости ЛИН 10мВ/сек. Благо прошивка прибора построена таким образом, что на малых скоростях ЛИН дополнительные каскады усиления выключены, и на емкость поступает напряжение без усиления, то есть от -7В до +7В через малошумящие ОУ Linear Technology LTC2057HV.

Так-же поскольку место на плате позволяет, решил поставить несколько конденсаторов WIMA MKP4 на 2.2мкФ, чтобы срезать шумы ИОН свыше 100Гц. Для целей дальнейшего использования платы ЦАП в паре с высокоскоростным АЦП высокого разрешения.

Судя по анализу даташита на стабилитрон ADR1399KEZ в LCC корпусе, ему стать сверхстабильным ИОН особо не светит. Его от температурного циклирования буквально разносит в клочья и он в отличии от классической версии ADR1399KHZ в корпусе TO-46, улетает в далекие дали.

Стоит ожидать и других сюрпризов. По этому лично я от него не жду чего-то сверхестественного. Да и выбирать особо не приходится, т.к. на сегодня, ADR1399KEZ в LCC корпусе, это единственная модель этих стабилитронов, которая доступна к покупке где бы то ни было в мире. Главное на что я рассчитываю меняя классического старичка LM399, который был разработан еще в прошлом тысячелетии, это пониженный шум, при превосходном ТКН. А уж это он должен смочь обеспечить. К тому-же в абсолютно беспрецедентной конфигурации 2+2.

Почему я так жду 1399-е стабилитроны, спросите Вы, отвечаю – потому-что это первое более менее ощутимое движение с мертвой точки за последние несколько десятков лет в этой области. По сумме факторов им не будет равных, так как выполняется сразу ряд условий:

  • Низкая стоимость решения(в месте с компонентами обвязки).
  • Малое соотношение шум/ppm в НЧ области.
  • Малый ТКН.
  • Высокая долговременная стабильность.

Все это можно легко найти по отдельности, но не вместе.

Обновление платы ЦАП

Прорабатывая дальнейшее развитие проекта, решил попробовать переделать опорные источники. Предыдущая версия основывалась на референсной схеме TI с зеркалом, на базе встроенной в ЦАП R+R цепи.

Оно в принципе работает, но ее дрейф мне не нравится. А поскольку внешнюю зеркалирующую цепь R+R я не хочу, так как с ней много мороки с подбором резисторов по ТКС, то решил двигаться в другом направлении, и применить доселе не виданный концепт с двумя интегральными стабилитронами. Один из них будет создавать опору положительной полярности, а второй отрицательной полярности.

Да, как вы могли заметить, мне наконец-то скоро приедут из Элитана новые интегральные стабилитроны ADR1399KEZ crazy Главная отличительная черта которого значительно меньший низкочастотный шум.

В то время, когда для LM399 НЧ шум с легкостью доходил до 4-5 мкВ от пика до пика и более, у ADR1399K заявленный шум должен составлять около 1.4 мкВ от пика до пика. Напомню, что 10 мкВ шума на скорости ЛИН 10 мВ/c, это 0.1% AC составляющей в выходном DC токе.

По случаю нового стабилитрона я решил заморочится с его обвязкой, и спроектировать новый драйвер питания интегральных стабилитронов:

Отличительной чертой данного драйвера, является гарантированная установка начальных условий запуска интегрального стабилитрона. В отличии от прошлой редакции, добавлен диод D1, который не даст защелкнуться драйверу на отрицательной полярности. А это проблема, так как питание ОУ двухполярное, и такое защелкивание может произойти при очень большом сопротивлении подтяжки, которая обычно составляет 100…1000 кОм. Маленькой подтяжку на плюс питания обычно не ставят, т.к. она внесет в ток стабилитрона зависимость от питающего напряжения. Но я решил и эту проблему исправить, переставив подтяжку с контакта стабилитрона на выход ОУ. При предлагаемом включении, ток подтяжки никак не будет влиять на ток стабилитрона, но при этом она будет гарантированно устанавливать положительную полярность и корректно запускать ОУ в момент включения.

Пришлось так-же заморочится, и применить активный драйвер земли стабилитронов, чтобы полностью устранить негативные эффекты от протекания тока по дорожкам земли.

Такой драйвер с кельвиновским подключением не только уберет проблемы связанные с сопротивлением и ТКС землянной дорожки, но и позволит развести сигнальную землю всей платы ЦАП таким образом, что ток по ней не будет протекать, и тем самым уйдет проблема перекоса потенциала земли.

Генерация обоих полярностей с помощью интегральных стабилитронов, без каких либо резистивных элеменетов, по идее должна жесточайшим образом пригвоздить обе рельсы опорного питания, и проблема плавающей рельсы -7V должна полностью исчезнуть.

А освободив R+R цепь DAC, ее можно использовать для другого не менее важного дела – выравнивание токов входов буфера U4.

А они, токи входов, у нового выходного буфера OPA211 уже довольно приличные, десятки наноампер в условиях прогрева, и они могут сместить выходное напряжение на десятки ppm.

Абсолютная и относительная погрешности в прецизионной технике

Уже не однократно я сталкиваюсь с полным непониманием у людей разницы между понятиями “абсолютной” и “относительной” погрешностей. Особенно это ярко выражено, когда речь заходит о частном случае “относительной” погрешности, а именно о “дрейфе”. Попробую разжевать кейс на примере ГЛИН-а и разложить все по полочкам, дабы просветить общественность. rtfm Материал будет дан своими словами, с упрощением в части терминологии, по этому будет не полностью соответствовать общепринятым понятиям, но должен отчетливо донести суть.

Читать далее «Абсолютная и относительная погрешности в прецизионной технике»

Фрезеровка

После не продолжительного ожидания, те модели которые на прошлых выходных были разработаны, изготовлены на ЧПУ-фрезере.

Слева показан лоток антенны ГЛОНАСС/BeiDou, к которому сейчас печатается радиопрозрачная крышка из пластика.

Остальные 4 детали это недостающие стенки для ГЛИН-а, напомню, лицевая панель и задняя стенка изготовлены из плат на алюминиевом основании, на базе 2-х миллиметрового алюминия 5052.

Лоток антенны выполнен из алюминия 6061. А фрезерованные стенки изготовлены из алюминия 7075. В общем в ход пошли все “50 оттенков алюминия” laugh

Я долго, почти целый день, думал из чего-же изготовить стенки. Выбор стоял между ABS-пластиком, токо-проводным пластиком, и алюминием.  Обычный ABS-пластик сразу был признан неподходящим, т.к. не обеспечивает должной экранировки. Токопроводящий пластик чуть более лучший выбор, обеспечивающий базовую экранировку. Но самым лучшим вариантом был признан алюминий, так как он не только обеспечит высочайшую степень экранировки прецизионных цепей от помех, но и придаст устройству теплоемкость, достаточную, чтобы существенно сгладить перепады комнатной температуры. Поскольку калибратор, это не повод идти на уступки, выбор остановился на фрезеровке стенок из алюминия. Получается не дешево, но когда это меня останавливало? crazy

Да конечно процесс включения будет очень инерционен из за высокой теплоемкости, но напомню, устройство разрабатывается как постоянно включенное. По этому время выхода холодного калибратора в режим, не играет роли.

Так-же алюминий достаточно легок, что несомненный плюс, по отношению к стали и латуни, даже несмотря на базовую толщину стенки 5мм.

Сам корпус будет стягиваться на 48 винтов, по всем сторонам, часть из которых будет потайными. Это придаст ему высокую степень прочности. Хотя закручивать их, я конечно заебусь….

Изоляция

Чо, думаете ща я вам про санкции втирать начну? Не угадали! Про них попозже…. laugh

При некоторых условиях, я начал наблюдать ошибку около 1.3 мВ по выходному напряжению ГЛИН, и тогда я подумал, “чо за хуйня? Это-ж хай присижн тулз!”. Разборки показали, что в изоляции ГЛИНа я допустил ошибки. Ну чо, бывает, я люблю ошибки… и люблю их исправлять… поехали!

При проектировании ГЛИН-а я сделал массу потугов, чтобы изолировать его землю от окружающего оборудования. Зачем это нужно? Для того, чтобы ток протекаемый через землю не создавал смещения напряжения. Этот момент хорошо иллюстрирует мурзилка от Keithley:

Поскольку сопротивление оплетки измерительного кабеля не может быть нулевым, а так-же сопротивление проводников печатанных плат и разъемов ГЛИН тоже не может быть нулевым, любое более менее значительное смещение напряжения земель, вызванное протеканием тока через заземляющий провод всех приборов в лаборатории, вызывает ошибку напряжения на выходном конце кабеля ГЛИН.

Я всячески старался этого избежать, применив изоляцию USB, изоляцию всех проводников то корпуса прибора. Но дьявол кроется в деталях…

Оказалось что металлический корпус энкодера, электрически связан с одним из его контактов, чего я не ожидал, в итоге корпус всего ГЛИН оказался соединён через энкодер с цифровой землей прибора. Так-же новая модификация по части ГЛОНАСС превнесла не очень желательный сюрприз – корпус антенны через мачту соединяется с корпусом GPSDO HP Z3805A, и так-же образует земляную петлю. Этого можно было-бы избежать некоторыми техниками, но я решил пойти более радикальным путем. crazy А именно, выполнить полную изоляцию аналоговых цепей от цифровых. Благо концептуально, этому есть только одно препятствие – цепи управления ЦАП и некотрые напряжения питания ЦАП.

Короче говоря, применять концепцию соединения цифровых и аналоговых земель, описанную в даташите ЦАП-а, было ошибкой.

И самое плохое даже не в том, что при определенных обстоятельствах замыкания земляной петли я начал наблюдать смещение около милливольта, а в том, что это смещение может неконтролируемо изменяться, вызывая ошибку скорости ЛИН, а так-же земляная петля значительно увеличивает шум выходного сигнала.

Решить эту проблему можно просто, путем установки цифровых изоляторов Analog Devices ADUM141.

Это высокоскоростные цифровые изоляторы построенные на трансформаторах с воздушным зазором, обеспечивающие полную гальваническую развязку одной половинки микросхемы от другой, благодаря чему создается изоляционный барьер.

В совковые времена такие методы тоже активно применялись в измерительной технике. К примеру в В7Э-42 на материнке стоит большая россыпь импульсных изолирующих трансформаторов, гальванически развязывающих цифровые блоки от аналоговых, а на платах модулей распаяны управляющие ими цепи.

Но если тогда это занимало дохрена места и россыпь компонентов, сегодня это одна микросхемка, обеспечивающая сразу 4 канала изоляции.

Недостающее ЦАП-у питание +5В, я так-же взял от аналоговых обмоток трансформатора, чтобы не нарушать изоляционный барьер через цепи питания.

По итогу, концептуально получится следующее:

Да, конечно изоляции в 3 киловольта я не получу, на то есть много разных причин, но оторвать аналоговую часть на пол сотни вольт от цифровых земель, можно легко, чего более чем достаточно чтобы решить проблему.

Корпус ГЛИН

По итогу выходных, было создано два корпуса, один для спутниковой антенны, а второй для самого ГЛИНа. Так-же предыдущая запись блога про антенну была обновлена.

Надо попробовать изготовить.

В конструкции корпуса учтены все нюансы, на подобии выступающих контактов разъемов, изоляции разъемов от самого корпуса, если к примеру тот будет изготавливаться из токопроводящего пластика и т.д. Так-же в днище предусмотрен ложемент для кабелей. Собираться он будет на 6-ти гранные винты М2, часть из которых потайные. Резьбы в стенках под них не будут нарезаться, вместо этого будут применены специальные латунные вставки с резьбами под вплавление-запрессовку.

Боковые(материнские) платы будут обжиматься в специальных ложементах, в днище и потолке, для придания конструкции устойчивости к ударам.

В общем я постарался учесть все нюансы, как всегда. Ну а чо из этого получится, посмотрим.

По маленьку проект движется. В основном по выходным дням, т.к. в будни у меня много работы, но куда спешить?  Электроны от меня не убегут! laugh

Micron-GNSS

Так получилось, что у меня нет ни одной активной антенны, которая была-бы оптимизирована на прием импортозамещенного ГЛОНАСС или BeiDou.

Дело в том, что для ГЛОНАСС нужен диапазон частот 1.602GHz…1.609GHz, а  BeiDou работает на частоте 1.561GHz. Что серьезно отличается от частоты GPS 1.575GHz, так как при наличии любого узкополосного фильтра, типично режится все что отличается от нее более чем на +-5MHz. А моя Symmetricom 58532A GPS L1 reference antenna, как раз имеет такой фильтр, не говоря уже о том, что сама антенна оптимизирована на частоту именно 1.575GHz.

По этому я решил сделать сам многодиапазонную антенну. После пары дней поиска подходящих SAW-фильтров и патч-антенн, вышло примерно следующее:

Наличие SAW-фильтров очень важно, для того что-бы резать сигналы GSM сетей и не перегружать ими усилитель и приемный тракт. Так-же пришлось заказать 4-х слойку, так как на 2-х слойке очень сложно соблюсти импедансы дорожек.

Заказал плату, посмотрю что получится…. blush

Кстати вспомнилось тут…. на одном из русских форумов видел вопрос: “спаял усилитель на 1ГГц, но почему-то он не работает, подскажите что не так?!”.

Сам этот вопрос не содержит в себе ничего удивительного… Но от иллюстрации, которая к нему прилагалась, я сполз под стол со смеху:

laugh laugh laugh laugh laugh laugh

 

UPD 1: Нарисовал чехольчик-крепление, дабы закрепить и защитить антенну от суровых Русских погодных условий и снегов. Он будет ставится на мачту, рядом с уже имеющейся антенной от Symmetricom.

UPD 2: Нет, мой внутренний перфекционист не искореним!!! Пересчитал еще раз импедансы дорожек, вскрыл их от маски, дабы маска не влияла на импеданс, поправил плату, добавил элементы крепления экрана, уменьшил длину дорожек.

Модернизация платы времени

Неопытный читатель наверняка сейчас думает: “Похоже Shodan скоро доварит свой ГЛИН”. Спешу Вас разочаровать – нет, похоже не скоро…. laugh

Плата задающая временные интервалы на днях была модернизирована, для ее автоматической подстройки по сигналам точного времени спутниковой системы ГЛОНАСС и была сейчас перезаказана в Резоните.

Для этого, подстроечник задающий частоту OCXO был заменен на модуль  спутникового ресивера LEA-M8F с 16-ти битным ЦАП. К счастью, на платах ГЛИНа заложен большой запас по свободному месту, как раз на случай их модернизации.

Поскольку оно всё равно не имеет функции выключения, так-же были добавлены выходы опорных частот 1PPS и 10MHz, чтобы устройство можно было использовать как классический Disciplined Oscillator. 

Я вообще давно уже присматриваюсь к модулям LEA-M8F, но до этого момента не было проекта, куда их целесообразно впихнуть. Мой особый интерес к нему вызван еще и тем, что я не нахожу в сети данных о его запуске как полноценный Disciplined Oscillator. А значит надо попробовать его запустить, это-же очень интересно!!! crazy