рукоделие
Кажется, подходит к завершению очередной этап моей попытки изготовления холодный усилитель. В том смысле, что куда еще дальше развиваться - понятно, но уже хочется в какой-то точке прерваться и заняться чем-то другим. И так потратил на эту деятельность целый месяц осенью и еще месяц сейчас.
Оcенью у меня возникла идея, что для моего эксперимента неплохо бы найти холодный усилитель (который работает при 4К - тогда у него и шум меньше, и подводящие провода короткие и сверхпроводящие). Вообще, эта тема в нашей науке какая-то востребованная, но очень мутная. Каждый делает кто во что горазд, каждый недоволен результатом и т.п. Довольно быстро я выяснил, что единственный доступный покупной вариант мне не очень подходит, да и стоит, кажется, 10 тысяч (а мне хорошо бы иметь не один усилитель). Так что стало интересно сделать такую штуку самому. Еще, кстати, с помощью неких людей из лаборатории, я пообщался с одной маленькой финской фирмой, и они мне подарили все материалы (бумаги и железо) по своему холодному усилителю. Он, вроде, работал, но был давно заброшен. Мне этот усилитель, увы, совсем не подошел, хотя изучение схем было вполне полезно.
Довольно быстро я научился симулировать электрические схемы в программе qucs; прочитал несколько книжек про полупроводниковые приборы (Титце и Шенк, Хорвиц и Хилл, Ракитин), играясь со всеми схемами в симуляторе. Выяснил, что производство транзисторов не стоит на месте, те, которые использовали раньше, уже давно не производят. Проблема в том, что в холоде не работают кремниевые транзисторы, а сейчас вся промышленность пошла по этому пути. К счастью, есть некие специфические, не-кремниевые транзисторы, рассчитанные на очень высокие частоты (десятки гигагерц). Они хорошие, малошумные, и при низких температурах, вроде, работают. Хотя их, в основном, используют для высоких частот.
Я накупил транзисторов и начал собирать усилители. И, удивительно, они сразу начали работать! Причем и в низких температурах. Я поигрался с разными параметрами, нашел подходящие и, довольный, прервался на другие дела.
В феврале я вернулся в Хельсинки и решил сделать пару усилителей уже для работы. Ну и написать какой-то отчет про эту деятельность. И вот тут пошла долгая череда познания мира.
- Выяснил, что не все керамические конденсаторы, которые я использовал, работают в холоде. Я слышал какие-то слухи, что керамика C0G лучше других, но не придавал этому значения. А тут нашел статью с измерениями и оказалось, что другие распространенные керамики бывают вообще непригодными. (Кстати, резисторы тоже не вякие подходят - но это я и раньше знал).
- Выяснил, что все мои новые усилители оказывались нестабильными. При очень низком напряжении питания они работали, а при большом начинали генерить. И зависило это от каких-то мелочей, как нарисованы дорожки на печатной плате и т.п. И почему-то со всеми новыми усилителями эта проблема была совсем уж неприятной. Игрался с этим я до посинения. Только две недели назад, когда я уже отчаялся, сделал более-менее стабильную схему, измерил все ее параметры и думал на этом закончить, я случайно наткнулся в книжке на описание моей проблемы. И проблема была решена! Все перемерять, отчет переделывать...
- Неделю назад выяснил, что не очень аккуратно измерял амплитудно-частотную характеристику. У меня на выходе был конденсатор, который образовывал делитель с емкостью проводов, и усиление из-за этого сильно подсаживалось. К тому же, емкость проводов в сочетании с не слишком маленьким выходным сопротивлением резала высокие частоты. Соответственно, в измеренные параметры входили эти самые провода. Научился аккуратно измерять выходные характеристики усилителя. Опять все перемерять, отчет переделывать.
- Научился измерять шум усилителей. Для этого я использую довольно дешевый цифровой осциллограф, но получается очень неплохо. Записываю длинный сигнал, делаю преобразование Фурье, все усредняю секунд 20, получаю спектр шума. Долго разбирался с заземлением, очень здорово поборолся с наводками (хотя одну довольно существенную проблему нашел только пару дней назад).
Вообще, игра с измерением шума ужасно интересная и поучительная - всем рекомендую.
Модель шума у меня довольно простая: есть осциллограф, весьма шумный. К нему подключен усилитель. Его шум пересчитывается ко входу и состоит из двух частей: шум по напряжению, который не зависит от того, что подключено ко входу, и шум по току, который преобразуется в напряжение подключенной ко входу нагрузкой. Если в нагрузке есть резистор - то он производит дополнительно свой тепловой шум. Кроме того, очень важна емкость входа, которая этот шум шунтирует. Я измеряю один спектр при выключенном усилителе - и получаю шум осциллографа (он большой, примерно 20nV/sqrt(Hz)). Измеряю усилитель с закороченным входом - получаю шум по напряжению (он меняется от примерно 5nV/sqrt(Hz) при комнатной температуре до 1nV/sqrt(Hz) в холоде - и я даже примерно знаю, где его источник). А вот с измерением шума по току оказалась засада: он очень маленький (как теперь понятно, меньше 10 fA/sqrt(Hz)). Я раза два все аккуратно измерял, но потом находил ошибку и понимал, что у меня пролезает тепловой шум от нагрузки - который на удивление огромный, хорошо виден и замечательно совпадает с теорией! (Теперь я знаю, как сделать шумовой термометр!) В общем, еще пара переписываний отчета. При этом аккуратного способа измерения токового шума я так пока и не придумал, хотя примерно понял, как можно все оценить и обтекаемо написать... А маленький токовый шум для моей задачи как раз очень важен.
Для тех, кто дочитал - картинка:
Справа - часть осенних усилителей. В центре - уже мартовские, в новых красивых коробочках. Слева - старые версии, вытащенные их коробочек. Фотография уже довольно старая, 3 марта. С тех пор появились версии N15, N16 (три усилителя, один из который уже отдан для тестов), N17 (еще три, но пока не собраны - жду деталей). Старые платки с пингвинами (эмблема лаборатории) уже пользуются популярностью в качестве сувениров - какая-то польза от деятельности есть!:)
Оcенью у меня возникла идея, что для моего эксперимента неплохо бы найти холодный усилитель (который работает при 4К - тогда у него и шум меньше, и подводящие провода короткие и сверхпроводящие). Вообще, эта тема в нашей науке какая-то востребованная, но очень мутная. Каждый делает кто во что горазд, каждый недоволен результатом и т.п. Довольно быстро я выяснил, что единственный доступный покупной вариант мне не очень подходит, да и стоит, кажется, 10 тысяч (а мне хорошо бы иметь не один усилитель). Так что стало интересно сделать такую штуку самому. Еще, кстати, с помощью неких людей из лаборатории, я пообщался с одной маленькой финской фирмой, и они мне подарили все материалы (бумаги и железо) по своему холодному усилителю. Он, вроде, работал, но был давно заброшен. Мне этот усилитель, увы, совсем не подошел, хотя изучение схем было вполне полезно.
Довольно быстро я научился симулировать электрические схемы в программе qucs; прочитал несколько книжек про полупроводниковые приборы (Титце и Шенк, Хорвиц и Хилл, Ракитин), играясь со всеми схемами в симуляторе. Выяснил, что производство транзисторов не стоит на месте, те, которые использовали раньше, уже давно не производят. Проблема в том, что в холоде не работают кремниевые транзисторы, а сейчас вся промышленность пошла по этому пути. К счастью, есть некие специфические, не-кремниевые транзисторы, рассчитанные на очень высокие частоты (десятки гигагерц). Они хорошие, малошумные, и при низких температурах, вроде, работают. Хотя их, в основном, используют для высоких частот.
Я накупил транзисторов и начал собирать усилители. И, удивительно, они сразу начали работать! Причем и в низких температурах. Я поигрался с разными параметрами, нашел подходящие и, довольный, прервался на другие дела.
В феврале я вернулся в Хельсинки и решил сделать пару усилителей уже для работы. Ну и написать какой-то отчет про эту деятельность. И вот тут пошла долгая череда познания мира.
- Выяснил, что не все керамические конденсаторы, которые я использовал, работают в холоде. Я слышал какие-то слухи, что керамика C0G лучше других, но не придавал этому значения. А тут нашел статью с измерениями и оказалось, что другие распространенные керамики бывают вообще непригодными. (Кстати, резисторы тоже не вякие подходят - но это я и раньше знал).
- Выяснил, что все мои новые усилители оказывались нестабильными. При очень низком напряжении питания они работали, а при большом начинали генерить. И зависило это от каких-то мелочей, как нарисованы дорожки на печатной плате и т.п. И почему-то со всеми новыми усилителями эта проблема была совсем уж неприятной. Игрался с этим я до посинения. Только две недели назад, когда я уже отчаялся, сделал более-менее стабильную схему, измерил все ее параметры и думал на этом закончить, я случайно наткнулся в книжке на описание моей проблемы. И проблема была решена! Все перемерять, отчет переделывать...
- Неделю назад выяснил, что не очень аккуратно измерял амплитудно-частотную характеристику. У меня на выходе был конденсатор, который образовывал делитель с емкостью проводов, и усиление из-за этого сильно подсаживалось. К тому же, емкость проводов в сочетании с не слишком маленьким выходным сопротивлением резала высокие частоты. Соответственно, в измеренные параметры входили эти самые провода. Научился аккуратно измерять выходные характеристики усилителя. Опять все перемерять, отчет переделывать.
- Научился измерять шум усилителей. Для этого я использую довольно дешевый цифровой осциллограф, но получается очень неплохо. Записываю длинный сигнал, делаю преобразование Фурье, все усредняю секунд 20, получаю спектр шума. Долго разбирался с заземлением, очень здорово поборолся с наводками (хотя одну довольно существенную проблему нашел только пару дней назад).
Вообще, игра с измерением шума ужасно интересная и поучительная - всем рекомендую.
Модель шума у меня довольно простая: есть осциллограф, весьма шумный. К нему подключен усилитель. Его шум пересчитывается ко входу и состоит из двух частей: шум по напряжению, который не зависит от того, что подключено ко входу, и шум по току, который преобразуется в напряжение подключенной ко входу нагрузкой. Если в нагрузке есть резистор - то он производит дополнительно свой тепловой шум. Кроме того, очень важна емкость входа, которая этот шум шунтирует. Я измеряю один спектр при выключенном усилителе - и получаю шум осциллографа (он большой, примерно 20nV/sqrt(Hz)). Измеряю усилитель с закороченным входом - получаю шум по напряжению (он меняется от примерно 5nV/sqrt(Hz) при комнатной температуре до 1nV/sqrt(Hz) в холоде - и я даже примерно знаю, где его источник). А вот с измерением шума по току оказалась засада: он очень маленький (как теперь понятно, меньше 10 fA/sqrt(Hz)). Я раза два все аккуратно измерял, но потом находил ошибку и понимал, что у меня пролезает тепловой шум от нагрузки - который на удивление огромный, хорошо виден и замечательно совпадает с теорией! (Теперь я знаю, как сделать шумовой термометр!) В общем, еще пара переписываний отчета. При этом аккуратного способа измерения токового шума я так пока и не придумал, хотя примерно понял, как можно все оценить и обтекаемо написать... А маленький токовый шум для моей задачи как раз очень важен.
Для тех, кто дочитал - картинка:
Справа - часть осенних усилителей. В центре - уже мартовские, в новых красивых коробочках. Слева - старые версии, вытащенные их коробочек. Фотография уже довольно старая, 3 марта. С тех пор появились версии N15, N16 (три усилителя, один из который уже отдан для тестов), N17 (еще три, но пока не собраны - жду деталей). Старые платки с пингвинами (эмблема лаборатории) уже пользуются популярностью в качестве сувениров - какая-то польза от деятельности есть!:)