Cómo "alimentar la alimentación" de un circuito discreto de bajo ruido

Question

Necesito probar un sensor y quiero medir su resolución. Mi principal preocupación es mantener el ruido y las perturbaciones (por ejemplo, 50 Hz) lo más bajos posible.

El circuito en sí (amplificadores, filtros, ...) es totalmente analógico, y está diseñado para ser de bajo ruido. Aquí no hay problema. El circuito está diseñado para que todos sus componentes activos se alimenten entre ±5 V. Se espera que el consumo total de corriente sea de unos 200 mA.

Ahora el problema: cuál es la mejor manera de suministrar la tensión de alimentación a estos componentes activos (op-amps, VGAs, INAs, ...), sabiendo que tengo una fuente de alimentación DC de sobremesa y algunas pilas?

OPT#1

±5 V de la fuente de alimentación de CC. Sólo condensadores de 10 uF cerca de los conectores, 100 nF cerca de los dispositivos (o el valor adecuado según las hojas de datos), y eso es todo. ¿Es esto suficiente para tener un bien ¿tensión de alimentación?

OPT#2

±10 V de la fuente de alimentación de CC -> Divisores resistivos para obtener ±5 V -> Filtros pasivos de paso bajo (por ejemplo, 1 MOhm, 1 uF --> alrededor de 150 mHz polo) -> Tampones analógicos de ganancia unitaria suministrados entre ±10 V de la fuente de alimentación. ¿Es mejor utilizar filtros activos? ¿O filtros pasivos LC?

OPT#3

Batería de ±10 V -> Divisores resistivos -> Búferes analógicos de ganancia unitaria alimentados entre ±10 V de la fuente de alimentación de CC. De esta manera, los 200 mA serán suministrados por la fuente de alimentación, y la batería durará mucho tiempo (puedo utilizar resistencias de alto valor para el divisor para que su consumo de corriente sea despreciable). ¿Es la PSRR de los típicos op-amps suficiente para tener una bien ¿señal de salida?

OPT#4

±10 V Batería -> regulador. De este modo, los 200 mA serán suministrados por el regulador, es decir, por la batería, ¡que se descargará rápidamente! ¿Qué regulador debo utilizar? ¿Conmutación CC-CC? ¿Lineal? ¿LDOs? ¿LDOs con baterías de ±6 V para minimizar el consumo / calentamiento?

OPT#5

¡Di la tuya!

Answer 1

Usando 3 circuitos de filtro C-FB-C en cascada, el C-FB-C colocado en TODOS los VDDs y RTN, y con +15/-15/+6/-6/+5/RTN filtrado en el switcher-suministros+DSP / centralClockGen / signalchain usamos 6 * 3 = 18 de los circuitos C-FB-C, conseguí 15 bit noise-floors a 6Millones de conversiones por segundo. El suelo era de 150 microVoltios. El sensor era un sensor IR de plano focal, aislado de tierra con perlas de vidrio de 100 micras en el epoxi, por tanto 50 pF de capacitancia del sensor al chasis/plano. En el cabezal del sensor, utilicé resistencias de 10 ohmios en cada amplificador optoelectrónico, además de 0,1uF y 10uF, para garantizar que todas las sobrecorrientes rápidas relacionadas con la señal se suministraran localmente; de este modo, ninguno de los amplificadores optoelectrónicos podía interactuar, a través de VDD, con ninguno de los otros amplificadores optoelectrónicos. En otras palabras, los VDD pasaban por un filtro de paso bajo para entrar en cualquiera de los opamps de la cadena de señal. [concepto: tener 'baterías locales']

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Para evitar el ruido y la diafonía entre circuitos integrados, la gente utiliza un VDD_Tree para implementar localmente un filtrado privado de VDD para cada circuito integrado. Con el rechazo de la fuente de alimentación en DC a menudo siendo 80 o 100 dB (por lo tanto 60Hz es rechazado por 10.000 o 100.000), pero llegando a ser mucho menos a altas frecuencias, es necesario implementar filtros de paso bajo en la VDD, con frecuencias de esquina de 100Hz o así. Así, 100 ohmios y 10uF, proporcionando 1milliSec tau y 159Hz esquina, es bueno. O 10 ohmios y 100uF. El árbol VDD típico se muestra en el diagrama final de esta respuesta.

He leído sobre reguladores Shunt para niveles de ruido de 1 nanoVoltio, para PreAmplificadores de reproducción RIAA de vinilos de audio. Su PreAmp no tiene NO rechazo de la fuente de alimentación, y un ShuntReg de bajo ruido ha sido clave para la música extremadamente agradable. Esa discusión está en "Simplistic NJFET RIAA" hilo, en 'diyAudio' sitio web. De nuevo, esto es para niveles de 1 nanoVoltio, en mi opinión; los experimentadores de audio simplemente saborean la música, no intentan calcular el suelo de rizado VDD.

Puede modelar fácilmente el rechazo de la fuente de alimentación de los OpAmps de su circuito, mediante modelos individuales o modelos globales, utilizando la herramienta Signal Chain Explorer. Describes la PSRR como [DC_attenuation, Frequency_corner donde la atenuación empieza a disminuir]; también tienes redes de filtros RL-C-R-CCC personalizables para cada OpAmp; ESR y ESL son parámetros para cada condensador. Esta herramienta es gratuita, de robustcircuitdesign.com Si la descargas y la utilizas, no dudes en decirnos lo prácticos que te resultan los menús.

Aquí está el menú VDD para un opamp; pulsa el botón "power" después de seleccionar la etapa.

Los distintos condensadores en paralelo se utilizan para mostrar los picos y caídas de resonancia serie + paralelo de un filtrado VDD mal diseñado. Aquí está "SHOW FILTER RESPONSE" de la red LRC-RCCC con valores por defecto (sin PSRR). Observe la resonancia de 10nF y 1uF (con sus ESL) a 26MHz, donde los opamps muestran una PSRR de 0DB. Se necesita amortiguación.

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Hace unos años necesitaba una ganancia de 1 millón a 100.000 Hz para un prototipo de baliza magnética. La entrada era de 2uVpp, la salida de 2 voltspp. Quería conmutar la ganancia, en pasos binarios, para mantener la señal del ADC entre -6db y -12dB FullSwing, para tolerar el ruido térmico.

El mayor riesgo era la oscilación, ya que el árbol de VDD proporcionaba la ruta de realimentación; dado que el rechazo de la fuente de alimentación del OpAmp es pobre (si no nulo) a 100.000 Hz, sabía que la distribución de VDD era una tarea de diseño necesaria. Como adolescente, he construido numerosos amplificadores de audio de alta ganancia que casi siempre "motorboated" puuut-puuut-puuut como las etapas fueron impulsadas (por sí mismos) de min-out a max-out. Aquí está la primera pasada con éxito VDD-árbol.

Cada una de las GND mostradas está separada de las otras GND,

probablemente por varios centímetros,

para minimizar el acoplamiento. Observe que el LPF, de 10 ohmios y 1.000uF, es de 16 Hz.

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simular este circuito

Answer 2

Para trabajar con muy poco ruido, me gusta utilizar pilas con todo montado dentro de un molde para pasteles (o una caja de fundición), 6 pilas * D de 1,5 V te darán +-4,5 V más o menos, añade un par de tapones grandes y listo.

Si lo de +-5V es realmente importante, pasa a 8 celdas D para conseguir +-6V y utiliza un par de reguladores LDO de bajo ruido.

Lo silenciosos que deben ser los raíles de alimentación depende de la PSRR del circuito (que también merece la pena comprobar), pero ten en cuenta que tiende a empeorar MUCHO a alta frecuencia.

No utilice en ningún caso un conmutador si la medición del ruido final es importante. Es posible hacerlo y que no suponga un problema, pero pasarás más tiempo desarrollando los filtros y el cribado que probando el dispositivo que te interesa, las cosas no son tan difíciles de trabajar pero es un dolor que no necesitas.

Pegue la pantalla del cable de salida a la caja y conecte los elementos internos a la caja en un punto.

Answer 3

Multiplicadores capacitivos . (La versión transistorizada) son mis "martillos" de ruido favoritos. Puedes conseguir unos pocos nV/rtHz, sin mucho trabajo. (Puede que te cueste más medir el ruido.) Esto sólo importa realmente cuando el ruido de la fuente de alimentación puede acoplarse directamente a tu señal. Los opamaps proporcionan una PSRR decente hasta algún punto cerca de su GBW, por lo que para los opamps, un paso bajo a menudo será lo suficientemente bueno. (como han sugerido otros).