冒天下之大不韪 —— 篡改 3458A 直流输入放大器



  • 改动思路

    先来看看原 3458A A1 直流板的输入放大器部分的电路图,截图自 CLIP 文件。

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    这个电路图与真实的 A1 板稍有不同。电路图中只见 Q101 一颗 PNP 晶体管,而真实的电路有一颗 Q102 的 NPN 的晶体管串联在 Q101 之前。Q102 的 E 极 接至 Q101 的 B 极,同时还有一个 R109 402 kohm 接地。其余的电路大体一致。

    可以看成下图浅橙色框中的部分就是当时的设计工程师刻意为 U100 运放(前期为 MC34081P,后期为 TLE2081)设置的 JFET 前端,具有低漏 + 低噪 + 低温漂的特性。在 1980 年代的背景下是绝对必要的。

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    运放筛选

    然而,穿越到 30 年后的今天,低漏 + 低噪 + 低温漂的 JFET 运放是否已经能够满足 3458A 当年的设计指标了呢?上 Ti 和 AD 的网站搜了一下:

    • 供电电压 ±18 V
    • Ibias < 10 pA max
    • Vn @ f = 1 kHz < 10 nV/√Hz

    一顿筛选下来,也就只剩下几个满足要求的了:

    指标 Ti OPA828 Ti OPA827 Ti OPA627 (BM, SM grades) Ti OPA140 Ti OPA145 (D & DGK Packages) AD ADA4627-1 / AD ADA4637-1 (B Grade) AD ADHV4702-1 AD LT1793A 单位
    Vs (min ~ max) ±4 ~ ±18 ±4 ~ ±18 ±4.5 ~ ±18 ±2.25 ~ ±18 ±2.25 ~ ±18 ±5 ~ ±15 ±12 ~ ±110 ±5 ~ ±15 V
    Vos (typ / max) ±50 / ±300 ±75 / ±150 ±40 / ±100 ±30 / ±120 ±40 / ±150 ±70 / ±200 ±150 / ±1000 ±250 / ±800 µV
    dVos/dT (typ / max) ±0.3 / ±1.3 ±0.1 / ±2 ±0.4 / ±0.8 ±0.35 / ±1 ±0.4 / ±1 ±1 / ±2 ±0.25 / ±3 ±5 / ±13 µV/°C
    Ibias (typ / max) ±1 / ±8 ±3 / ±10 ±1 / ±5 ±0.5 / ±10 ±2 / ±10 ±1 / ±5 ±0.3 / ±2 ±3 / ±10 pA
    En (f = 0.1 Hz ~ 10 Hz, typ) 340 250 600 250 320 700 - 2400 nVpp
    En (f = 0.1 Hz ~ 10 Hz, typ) 60 - - 42 60 - - - nVrms
    En (f = 10 Hz, typ) 7.5 7.2 15 8 9 16.5 12 (Vs = ±110 V) 11.5 nV/√Hz
    En (f = 1 kHz, typ) 4 4 5.2 5.1 7 6.1 8 (Vs = ±110 V) 6 nV/√Hz
    CMRR (min / typ) 108 / 115 114 / 126 106 / 116 126 / 140 126 / 140 106 / 116 140 / 160 83 / 102 dB

    横向对比以上所列的八颗运放,貌似 OPA140 的综合性能最适用于 3458A 的直流放大器。如有纰漏请告知。接下来就是做实验的时候了。

    改动项目:

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    • 移除 Q100 / Q102 / C101 / U108 / Q103 / CR109
    • U100 替换成 OPA140
    • 加引线 Q103-4 ↔ U108-8
    • 加引线 Q103-8 ↔ Q100-1

    测试直流电压短路噪音:

    • 输入端铜线短路
    • 测量直流电压
    • 连续读取 100 个数据
    • 取标准方差为噪音

    3458A 数据册截图:

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    • 直流电压 100 mV 档(单位:nVrms)
    NPLC 3458A 指标 改动前 OPA140 改动后 P100 接地短路(纯 ADC 噪音) 变化
    0.01 4 500 1 438 1 139 254.8 -20.8%
    0.02 2 800 973.7 844.3 143.9 -13.3%
    0.05 1 360 1 001 665.7 77.86 -33.5%
    0.1 840 850.1 502.8 50.52 -40.9%
    0.2 500 623.0 364.0 32.55 -41.6%
    0.5 260 395.7 308.8 24.04 -22.0%
    1 152 120.7 103.5 6.443 -14.3%
    2 112 84.63 75.77 4.455 -10.5%
    5 74 59.59 45.66 4.495 -23.4%
    10 54 43.50 39.16 4.136 -9.98%
    20 40 38.93 29.96 2.152 -25.0%
    50 26 28.37 21.98 1.686 -22.5%
    100 20 20.68 13.96 0.931 2 -32.5%
    200 20 12.96 10.06 0.652 0 -22.4%
    500 20 11.89 11.10 0.480 0 -6.6%
    1 000 20 12.69 11.03 0.282 4 -13.1%

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    评语:NPLC ≤ 200 前的噪音改进还是挺可观的,一般可降低到 -20% 的噪音。 NPLC > 200 以后貌似遇到极限了。


    • 直流电压 1 V 档(单位:nVrms)
    NPLC 3458A 指标 改动前 OPA140 改动后 P100 接地短路(纯 ADC 噪音) 变化
    0.01 4 500 2 983 2 868 2 548 -3.9%
    0.02 2 800 2 043 1 800 1 439 -11.9%
    0.05 1 360 1 425 1 105 778.6 -22.5%
    0.1 840 1 058 656.4 505.2 -38.0%
    0.2 500 776.6 397.9 325.5 -48.8%
    0.5 260 567.9 329.1 240.4 -42.0%
    1 152 142.4 122.5 64.43 -14.0%
    2 112 104.2 84.25 44.55 -18.9%
    5 74 80.95 69.08 44.95 -14.7%
    10 54 67.59 56.64 31.48 -16.2%
    20 40 44.25 35.68 21.52 -19.4%
    50 26 33.02 27.04 16.86 -18.1%
    100 20 31.74 20.33 9.312 -35.9%
    200 20 17.50 12.80 6.520 -26.9%
    500 20 14.60 9.549 4.800 -34.6%
    1 000 20 10.94 10.97 2.824 +0.3%

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    评语:NPLC ≤ 500 前的噪音一般可降低到 -20% 左右,改进最明显的就是这 1 V 档了。


    • 直流电压 10 V 档(单位:nVrms)
    NPLC 3458A 指标 改动前 OPA140 改动后 P100 接地短路(纯 ADC 噪音) 变化
    0.01 22 500 26 120 26 944 25 485 +3.2%
    0.02 14 000 16 548 14 261 14 394 -13.8%
    0.05 6 800 9 033 8 381 7 786 -7.2%
    0.1 4 200 5 798 4 395 5 052 -24.2%
    0.2 2 500 3 942 2 350 3 255 -40.4%
    0.5 1 300 3 327 1 387 2 404 -58.3%
    1 760 747.7 636.7 644.3 -14.8%
    2 560 468.6 487.7 445.5 +4.1%
    5 370 387.4 392.1 449.5 +1.2%
    10 270 314.7 352.5 314.8 +12.0%
    20 200 241.7 259.0 215.2 +7.2%
    50 130 143.4 130.4 168.6 -9.1%
    100 100 94.98 98.40 93.12 +3.6%
    200 100 57.48 61.72 65.20 +7.4%
    500 100 42.97 42.24 48.00 -1.7%
    1 000 100 32.57 33.36 28.24 +2.4%

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    评语:这里头其实是没有什么油水可捞了,毕竟已经非常接近于 ADC 本身的噪音了。奇怪的是 NPLC 介于 0.1 ~ 0.5 之间竟然取得比 P100 短路还要低的噪音,不解。🤔



  • @laichh冒天下之大不韪 —— 篡改 3458A 直流输入放大器 中说:

    OPA140

    You forget an absolutely necessary parameter: CMRR. OPA140 have only 126 dB min, so the DMM INL would be limited to 0.5 ppm only :(



  • @iddqd2001 怎么算出 CMRR = 126 dB 相当于 INL = 0.5 ppm?是 10^(-126/20) = 0.501 ppm 吗?如果是的话,那么 CMRR = 140 dB 的典型值还是可观的,10^(-140/20) = 0.1 ppm 了。



  • 在直流放大里面的JFET运放OPA140应该是最好的了



  • @iddqd2001 use boostrap can slove INL



  • 期待测试结果!



  • 不错,有想法有实验,数据说话



  • @THY888 那个 NPLC = 1000 简直要了我的命,等到花儿也谢了🥀



  • 陆陆续续上了些数据和图表,大哥们看看。



  • 强烈支持 理论和动手并重 还有分析和对比



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    突然想到一个问题:经过 OPA140 改动后,CR100 及 CR101 这两颗保护二极管就会直接曝露在电表输入端的正极,这样会不会影响电表在直流电压 10 V 档以下的 >10 GΩ 的输入高阻特性?



  • 噪音测试数据已完成更新,具体见一楼贴。