šum nábojového zesilovače s bootstrap vazbou

Zpráva

#1 Příspěvek od **Cust** » 14 kvě 2023, 09:25

Zdravím, postavil jsem si nízkošumový nábojově citlivý zesík, který má vstupní PIN diodu bootstrapovanou JFET tranzistorem. Potřebuju ho trošku optimalizovat a nevím, jestli dobře počítám šumové parametry obvodu nevíte někdo jak na to?
Mezi svorkami Anode a Cathode je PIN dioda s parametry: kapcita cca 35 pF, dark current cca 2.5 nA, šum cca 50 fW/√Hz.
Šum tranzistorů v paralelu odhaduju na 0.5 nV/√Hz, součet kapacit vstupních a reversních bude cca 30 pF (možná bude lepší to nahradit jedním se šumem cca 1 nV/√Hz a s kapcitami cca 10 pF).
Šum operáku napěťový 1.1 nV/√Hz a proudový 1.7 pA/√Hz. Vstupní kapacita common mode 2 pF a diff 8 pF. Celkem pro toto zapojení tedy asi 10 pF. Vstupní diff odpor má asi 20 kΩ. Bude ten vysoký proudový šum vadit? Díky bootstrapu by teoreticky sériový odpor zdroje (diody) měl jít virtuálně k nule nebo se pletu?
Díky za rady
Čust

kulikus · #2 Příspěvek od **kulikus** » 14 kvě 2023, 12:46

Simulací v LTspice?

#3 Příspěvek od **Cust** » 14 kvě 2023, 17:03

simulaci ve spice jsem nezkoušel, ale bylo by lepší tomu rozumět...

Ivan_Ryger · #4 Příspěvek od **Ivan_Ryger** » 14 kvě 2023, 22:32

S kolegom sme toto pred časom riešili pre rýchle fotodetektory v práci.
Pre napäťový a prúdový šum si treba urobiť náhradnú schému, postačuje jednoduchý model OZ ako napäťovo riadeného napäťového zdroja.
Pre šumové napätie a prúd vychádzajú dve rôzne náhradné schémy. Pri šumovom napätí zisk v spätnej väzbe rastie k vyšším frekvenciám v dôsledku klesajúcej impedancie parazitnej kapacity na vstupe OZ, čo sa prejavuje "noise bump"om okolo zlomovej frekvencie OZ.
Myslím, že ten Bootstrap tranzistor sa dá simulovať hlavne ako šumivý rezistor - odporový šum kanálu. Výstrelový šum hradla asi bude zanedbateľný.
Ak počkáte do budúceho týždňa, nájdem článok, kde sú rovnice pre bootstrap odvodené.
Ivan

#5 Příspěvek od **Cust** » 15 kvě 2023, 11:26

Kdyby jsi je našel, bych bych rád. Mě to totiž přijde, že proudový šum operáku (při ideálním bootstrapu) by byl irelevantní. A taky si nejsem jist, jak se projeví jeho napěťový šum, asi se taktéž eliminuje a je nahrazen šumem tranzistoru. S rychlostí je mi to jasný - zpětná vazba vidí kapacitu tranzistoru a ne diody, takže u velkých diod je to podstatné zlepšení... Ale otazníků je hodně a pokud se mi bude projevovat proudový šum operáku v plné míře (na zpětnovazebním odporu), musím použít CMOS nebo JFET operák.

No, tak jako tak to budu muset vyzkoušet, ale ty rovnice by se mi hodily... Dá se pak vybrat optimální OZ.

Ivan_Ryger · #6 Příspěvek od **Ivan_Ryger** » 15 kvě 2023, 22:01

https://zeus.phys.uconn.edu/halld/hpd-3 ... ntends.pdf

#7 Příspěvek od **Cust** » 16 kvě 2023, 07:35

Díky, prolítnul jsem to a vypadá to zajímavě. Tu kaskodu musím nastudovat. Vypadá to, že pán řešil hodně podobný problém jako mám já.

#8 Příspěvek od **Cust** » 16 kvě 2023, 13:43

Tak kaskáda mě inspirovala. Díky. Trošku jsem to překreslil pro JFET. tady už nemám strach, že by vstup operáku viděl šum zpětnovazebního odporu R6. Předpokládám, že to použiju bez bias proudu přes cascode JFET. Tedy bez R4 a R5. A bootstrap je v paralelu, tak ten šum ještě klesne √2 krát. Potřebuju se dostat k nábojovému šumu nejlépe 100 elektronů.

Asi 20x níž, než když jsem to dělal low power a střílel součástky od pasu. Bude legrace...

#9 Příspěvek od **Cust** » 16 kvě 2023, 21:49

Hehe, už jsem to implantoval i do verze bez bootstrapu s diskrétním JFET vstupem, je to vlastně alá Erno Borbely vstup.

EDIT: Myslím, že by v tomto případě vyhovoval spíše jako cascode tranzistor něco na vyšší napětí, něco jako 2SK879. Ten má ale malou forward admitanci, tak nevím, nevím, na super rychlé věci to zase nebude - no chová se to jako zesík se společným gate, tak možná to nějaký MHz dá.

Ivan_Ryger · #10 Příspěvek od **Ivan_Ryger** » 17 kvě 2023, 03:35

Nie som si celkom isty, ci ten JFET so spolocnym headlom tam bude dobre fungovat z pohladu sirky pasma. Povodne zapojenie vyuzivalo relativne nizku impedanciu B-E priechodu bipolarneho tranzistora spolu s bootstrapom potlacenou kapacitou diody pre zvysenie sirky pasma, vystrelovy sum bazoveho prudu bol limit pre sumovu hustotu.

#11 Příspěvek od **Cust** » 17 kvě 2023, 07:27

Vyzkouším JFET i BJT, impedance source-gain v tomto zapojení bude taky velmi nízká. Navíc ten 2SK2394 má vysokou forward admitanci a nízkou kapacitu, takž desítky MHz snad pro něj nebude problém... U toho bootstrapu používám tento JFET automaticky, bo má nízký šum pod 1 nV/√Hz a 1/f šum končí někde mezi 10-20 Hz. Je tedy super i na audio aplikace.

EDIT: Nepamatuješ si typ toho BJT tranzistoru, který jste používali?

#12 Příspěvek od **Cust** » 17 kvě 2023, 07:53

Začíná se mi to trošku komplikovat - PSRR upgrade, jestli to bude šumět, tak to rozmlátím kladivem.

#13 Příspěvek od **Cust** » 17 kvě 2023, 08:01

Ještě mě napadlo. Přidat cascode tranzistor k bootstrapovým tranzistorům, Tím by ještě klesla jejich vstupní kapacita, takže by kleslo razantně zesílení šumu a šířka pásma by se ještě zvýšila. Co ty na to?

#14 Příspěvek od **Cust** » 18 kvě 2023, 00:19

Ha, myšlenkový zkrat. Ta kaskoda na bootstrap tranzistoru je blbost, jelikož Millerův efekt se tu nekoná a vstupní kapacita je pouze dle datasheetu. Takže se vracím o iteraci zpět. Ten proudový zdroj bude mít dostatečně blahodárný efekt a to i na zlepšení gain/bootstrap.

#15 Příspěvek od **ZdenekHQ** » 19 kvě 2023, 16:14

Ono to chce se jít občas projít třeba do lesa. Já chodil pěšky nakupovat. A stávalo se, že jsem se po 300m otočil a šel jsem si domů něco poznamenat.

Už jsem to tady psal, že s rostoucím počtem titulů se člověk stává duševně zranitelnějším. To je čistě empirické zjištění. Na tom není nic špatnýho, prostě moc myslí a musí si občas odpočinout.

Proč asi Kulhánek chodí na pivo?