На прошедших выходных я размышлял о микровольтметре. А содвинуло меня к этому объявление Михаила о продаже нановольтметра:
Поскольку в последнее время чо-то я совсем “поизносился”, у меня не оказалось в кармане заветных 25 тысяч рублей, но в голове возникла идея сделать полноценный микровольтметр. Но ведь просто-так взять и сделать что-то нельзя, нужен расчёт!!! Вот этим я и занимался все выходные.
Первая мысль что пришла мне в голову, это попробовать взять чоппер с малым уровнем шумов. Выбор пал на ADA4523-1, у которого заявлен более-менее сносный шум по напряжению в диапазоне низких частот. И с первого взгляда и по температурным дрейфам(10нВ/°C) и по шуму пик-ту-пик 88нВ, он хорош для задачи. И казалось-бы бери да паяй усилок на миллион (1мкВ*1000000=1V), но не тут-то было… читатели-же знают, что дьявол кроется в даталях…. 
А детали таковы – типично эти параметры измеряются при закороченном входе, импеданс которого соответственно стремится к нулю. Отсюда вытекает первая проблема:
Входной импеданс.
Давайте сначала разберемся, почему это проблема.
- Общее правило “задротов на измерения” гласит: чем выше входной импеданс измерительного прибора, тем меньше он оказывает влияние на измеряемую цепь.
- Общее правило чоппер-усилителей гласит: чем ниже входной импеданс, тем ниже шум.
Не совместимые правила, не так-ли? Давайте попробуем найти золотую середину. А начнем мы с вами с того, что у нас есть несколько видов шумов:
- Шум Джонсона-Найквиста, так-же известный как тепловой шум, он будет рождаться за счет входного резистора шунтирующего вход операционного усилителя, который ставится для понижения токовых шумов.
- Токовый шум входа операционного усилителя в заданной полосе. Образуемый главным образом за счет работы чоппер-схемы(инжекция заряда при переключении).
- Шум входа ОУ по напряжению, в заданной полосе.
- Шум образуемый за счет попкорн эффектов.
Чтобы понять какой входной шунт нам выбрать, надо попытаться визуализировать каждый из этих шумов. Я это делаю простым расчётом в Excel:
Формулы для расчета легко находятся в интернетах, я на них не буду останавливаться, но для ленивых дам Excel файл.
Визуализация показывает следующее.
На графике отчетливо видно, что при импедансе свыше 20кОм, токовый шум ОУ начинает превалировать над тепловыми шумами резистора. А до импеданса 1кОм основной вклад в шум в заданной полосе оказывает шум по напряжению 4.2нВ/√Hz.
Но так-же если рассмотреть даташит внимательно то можно заметить, что он говорит о шуме 88нВ в полосе 0.1….10Гц.
По этим данным и по графикам из даташита, я вижу что этому ОУ свойственен попкорн шум.
Если брать за полосу пропускания 10 Гц, и просуммировать и привести все виды шума к параметру пик-ту-пик, то открывается секрет:
По красной линии, визуализирующей пик-ту-пик шум, видно что до входного импеданса 20кОм, основной вклад делает попкорн шум, а больше этого значения, токовый шум входа ОУ генерирует за счет импеданса шум по напряжению, который при увеличении входного импеданса свыше 500кОм не позволит применять этот ОУ даже для целей микровольтметрии, не говоря уже о измерении сотен нановольт или десятков. Слишком шумно…
Я прикинул возможные применения прибора в моей лаборатории, и в принципе пришел к мнению, что допустимый для меня входной импеданс микровольтметра, при условии что он сможет спускаться в нановольтновые диапазоны, составит 1кОм. А значит есть пространство для маневра 
Тогда попробуем посчитать не один ОУ, а группу из нескольких ОУ, включенных по схеме усреднения, как в даташите.
Такое включение понижает шум по напряжению за счет усреднения, но при этом шум по току растет, за счет суммирования инжекции заряда.
Методом подбора я нашел, что применение группы из 9 ОУ оптимально, т.к. понижает шум в √9 раз, но при этом вклад токового шума до импеданса 1кОм не оказывает значительного эффекта.
А это значит, что до импеданса 1кОм можно рассчитывать, на шум около 30нВ пик-ту-пик, а свыше 10…100кОм, прибор начинает терять свойства микровольтметра. Что в принципе я для своих задач считаю допустимым. Соответственно, оптимальным будет шунт 100кОм. Если импеданс измеряемой цепи будет ниже 1кОм, то шум упадет до 30нВ, и такой шунт внесет ошибку менее 1%. Но при этом не вызовет зашкала при разомкнутой цепи, т.к. импеданс будет конечным.
Ток смещения IB
Группа из 9 ОУ, может создать входной ток до 300пА*9=2.7нА, согласно даташита, т.к. паразитный ток входа ОУ не равен нулю.
Помимо этого этот ток имеет вариацию в зависимости от температуры.
Этот ток будет создавать смешение на импедансе отличном от нуля, к примеру даже если взять лайтовые условия, когда суммарный входной ток составит 0.7нА, то при работе на импеданс 1000 Ом, он создаст ошибку 0.7мкВ. А значит надо попробовать его компенсировать. На этот случай думаю придет на помощь гигаомный резистор с подстроечником. Который позволит компенсировать до 2.5нА утечки.
В результате, схема по такому расчёту приобретает вид:
Это входной усилитель, с коэффициентом усиления Av=1000, разгоняющий 1мкВ до 1мВ. Верхняя граница входного напряжения такого усилителя составляет 1мВ(1В на выходе). Соответственно приборчик можно сделать с 4-мя диапазонами: 1мкВ, 10мкВ, 100мкВ, 1мВ.
Симуляция его шумов в LTSpice показывает результат близкий к расчётному, а именно 17.2нВ RMS шума по входу(17.2мкВ по выходу), при источнике 1мкВ с импедансом 1кОм.
Вторая стадия усиления пока в процессе проработки, она будет содержать масштабный усилитель с коэффициентами x1, x10, x100, x1000, цепи подстройки нуля, фильтр и драйвер головки.
Кстати, выражаю благодарность герою многих моих статей Михаилу, я честно пизданул у него идею применения головки M2027, которая оказалась настолько бруттальна и лампова, что прям пипец…
Продолжение следует….