radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2019-22-4-99-108radioelectronics-359Research ArticleОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯORIGINAL ARTICLEМалошумящий программируемый усилитель постоянного тока с дистанционным управлениемLow Noise Programmable DC Amplifier with Remote Controlhttps://orcid.org/0000-0003-0375-904XИвановВ. Э.IvanovViktor E.

кандидат технических наук (2007), доцент кафедры автоматики и системотехники

Cand. Sci. (Engineering) (1994), Associate Professor of the Department of Automation and system engineering

ivanov72@list.ruЕн УнЧьеEn UnChye

доктор технических наук (1996), профессор (1997), заведующий кафедрой автоматики и системотехники

Dr. Sci. (Engineering) (1996), Professor (1997), Head of the Department of Automation and Systems Engineering

chye@ais.khstu.ruТихоокеанский государственный университетРоссияPacific National UniversityRussian Federation20190110201922499108Copyright © Иванов В.Э., Ен Ун Ч., 20192019Иванов В.Э., Ен Ун Ч.Ivanov V.E., En Un C.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/359Введение

Введение. В современной технике эксперимента известно направление, связанное с разработкой информационно-измерительных систем регистрации и анализа избыточных низкочастотных шумов. Любой измерительный канал представлен в виде многокаскадной схемы с заданными параметрами каждого каскада, что затрудняет адаптацию измерительной системы к конкретным условиям эксперимента. Решением проблемы является унификация всех компонентов канала, однако при этом одной из основных проблем является оценка собственных шумов электронных элементов, обеспечивающих изменение параметров усилителя.

Цель работы

Цель работы. Анализ собственных шумов электронных потенциометров, разработка малошумящего унифицированного усилителя постоянного тока с возможностью внешнего цифрового управления параметрами и исследование его характеристик.

Материалы и методы

Материалы и методы. С помощью метода суперпозиции произведен теоретический расчет шумового усиления для каждого компонента неинвертирующего усилителя. Экспериментальные исследования проводились на базе установки, представляющей собой малошумящий усилительный тракт и спектроанализатор на основе модуля сбора данных E14-440 и программного обеспечения «PowerGraph».

Результаты

Результаты. По результатам теоретических расчетов шумового усиления для металлопленочных резисторов и экспериментальных исследований характеристик электронных потенциометров показано, что их удельные значения напряжений шумов практически идентичны. Использование цифрового потенциометра в качестве элемента обратной связи и малошумящего источника смещения с двухполярным питанием (AD8400), позволяют реализовать на их основе унифицированный модуль с возможностью каскадирования. Внешнее цифровое управление на основе однокристального микроконтроллера PIC18F2550, разработанного протокола канального уровня «Master-Slave» и ASCII-интерфейса командной строки на базе сети RS-485 позволяет адаптировать его к задачам измерения шумов электронных компонентов, малых токов и напряжений, фликкер-шумов, построения распределенных систем сбора и обработки информации.

Заключение

Заключение. Полученные теоретические и практические результаты делают возможным проектирование многоканальных распределенных измерительных систем постоянного тока с адаптацией измерительных каналов к поставленным задачам и возможностями программной коррекции характеристик в реальном времени.

Introduction

Introduction. The developmental direction of information-measuring systems used to record, pre-process and analyse excess low-frequency noise (flicker noise) in modern experimental technology is well known. Every measuring channel is presented in the form of a multistage circuit with specified parameters at each stage. This creates difficulties in adapting a measuring system to specific experimental conditions. While the solution may be to unify all the components of the channel, the problem lies in estimating the intrinsic noise of the electronic elements which provide a change in amplifier parameters.

Objective

Objective. To analyse the intrinsic noise of electronic potentiometers. To develop a low-noise unified DC amplifier with the possibility of external digital control parameters. To study the characteristics of a DC amplifier thus developed.

Materials and methods

Materials and methods. The superposition method was used to perform theoretical calculation of noise gain for each component of a non-inverting amplifier. Experimental studies were based on a system consisting of a low-noise amplifying path and spectroanalyser using the data acquisition module E14-440. Software "Power-Graph" was used.

Results

Results. The results of the theoretical analysis of noise amplification for metal-film resistors and experimental studies of the characteristics of electronic potentiometers indicated that their noise voltages specific values are almost identical. The use of a digital potentiometer as a feedback element and a low-noise bipolar-powered bias source (AD8400) permitted the implementation of a unified module with cascading capability. External digital control was based on a single-chip microcontroller PIC18F2550, using the "Master-Slave" channel level protocol and ASCII-command-line interface based on RS-485 network. This control enabled adaptation for measuring electronic component noise, low currents and voltages, flicker noise and the construction of systems for information collecting and processing.

Conclusion

Conclusion. The theoretical and practical results achieved herein enable the design of multichannel distributed DC measuring systems. The systems will offer adaptability for measuring channels to the tasks required, and the possibility of correction of real time characteristics.

малошумящий предусилительэлектронный цифровой потенциометрфильтр на переключаемых конденсаторахусилитель постоянного токанизкочастотный избыточный шумфликкер-шумlow noise preamplifierelectronic digital potentiometerswitch capacitor filterDC amplifierlowfrequency excess noiseflicker noiseReferencesChye En Un, Ivanov V. E. Universal Multichannel System for Low Frequency Noise Measurement // Int. Siberian Conf. on Control and Communications, 29–30 June 2017, Astana, Kazakhstan. doi: 10.1109/SIBCON.2017.7998532Chye En Un, Ivanov V. E. Universal multichannel system for low frequency noise measurement. Int. Siberian Conf. on Control and Communications, Astana, Kazakhstan, 2017. doi: 10.1109/SIBCON.2017.7998532Instrumentation Design for Gate and Drain Low Frequency Noise Measurements / G. Giusi, F. Crupi, C. Ciofi, C. Pace // IMTC Conf. Proc. 24–27 Apr. 2006, Sorrento, Italy, 2006. P. 1747–1750. doi: 10.1109/IMTC.2006.328224Giusi G., Crupi F., Ciofi C., Pace C. Instrumentation design for gate and drain low frequency noise measurements. IMTC Conf. Proc. Sorrento, Italy, 2006, pp. 1747–1750. doi: 10.1109/IMTC.2006.328224Dedicated Instrumentation for Single-Electron Effects Detection in Si Nanocrystal Memories / C. Pace, F. Crupi, S. Lombardo, G.Giusi // IMTC Conf. Proc. 24–27 Apr. 2006, Sorrento, Italy, 2006. P. 1856–1859. doi: 10.1109/IMTC.2006.328280Pace C., Crupi F., Lombardo S., Giusi G. Dedicated Instrumentation for single-electron effects detection in Sinanocrystal memories. IMTC Conf. Proc. Sorrento, Italy, 2006, pp. 1856–1859. doi: 10.1109/IMTC.2006.328280Automatic Measurement System for the DC and Low-F Noise Characterization of Fets at Wafer Level / G. Giusi, O. Giordano, G. Scandurra, C. Ciofi, M. Rapisarda, S. Calvi // IEEE Intern. Instrumentation and Measurement Technology Conf. (I2MTC). 11–14 May 2015, Piza, Italy, 2015. P. 2095–2100. doi: 10.1109/I2MTC.2015.7151606Giusi G., Giordano O., Scandurra G., Ciofi C., Rapisarda M., Calvi S. Automatic measurement system for the DC and low-f noise characterization of FETs at wafer level. IEEE Intern. Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC). Piza, Italy, 2015, pp. 2095–2100. doi: 10.1109/I2MTC.2015.7151606Dedicated Instrumentation for High Sensitive, Low Frequency Noise Measurement Systems / C. Ciofi, G. Giusi, G. Scandurra, B. Neri // Fluctuation and Noise Lett. 2004. Vol. 4, № 2. P. 385–402.Ciofi C., Giusi G., Scandurra G., Neri B. Dedicated instrumentation for high sensitive, low frequency noise measurement systems. Fluctuation and Noise Letters. 2004, vol. 4, no. 2, pp. 385–402.Ultra Sensitive Method for Current Noise Measurements / G. Giusi, F. Crupi, C. Ciofi, C. Pace // Review of Scientific Instruments. 2006. Vol. 77, № 1. P. 015107(1–5).Giusi G., Crupi F., Ciofi C. Pace C. Ultra sensitive method for current noise measurements. Review of Scientific Instruments. 2006, vol. 77, no. 1, pp. 015107– 015107-5.Chengqing Wei, Yong-Zhong Xiong, Xing Zhou. Test Structure for Characterization of Low-Frequency Noise in CMOS Technologies // IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement. 2010. Vol. IM-59, № 7. P. 1860–1865. doi: 10.1109/TIM. 2009.2028783Chengqing Wei, Yong-Zhong Xiong and Xing Zhou. Test Structure for Characterization of Low-Frequency Noise in CMOS Technologies. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2010, vol. 59, no. 7, pp. 1860–1865. doi: 10.1109/TIM.2009.2028783Scandurra G., Giusi G., Ciofi C. Multichannel Amplifier Topologies for High-Sensitivity and Reduced Measurement Time in Voltage Noise Measurements // IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement. 2013. Vol. 62, № 5. P. 1145–1153. doi: 10.1109/TIM.2012.2236719Scandurra, G. Giusi and C. Ciofi. Multichannel Amplifier Topologies for High-Sensitivity and Reduced Measurement Time in Voltage Noise Measurements. IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement. 2013, vol. 62, no. 5. doi: 10.1109/TIM.2012.2236719Four Channels Cross Correlation Method for High Sensitivity Current Noise Measurements / C. Ciofi, G. Scandurra, R. Merlino, G. Cannatà, G. Giusi // Proc. of SPIE. Fluctuation and Noise. 2007. Vol. 6600. P. 660012(1–8).Ciofi C., Scandurra G., Merlino R., Cannatà G., Giusi G. Four channels cross correlation method for high sensitivity current noise measurements. Fluctuation and Noise. Proc. of SPIE. 2007, vol. 6600, pp. 660012-1– 660012-8.Configurable Low Noise Amplifier for Voltage Noise Measurements / G. Scandurra, G. Cannata, G. Giusi, C. Ciofi // 22nd Intern. Conf. on Noise and Fluctuations (ICNF), 24–28 June 2013, Montpellier, France, 2013. P. 1–4. doi: 10.1109/ICNF.2013.6578999Scandurra G., Cannata G., Giusi G., Ciofi C. Configurable low noise amplifier for voltage noise measurements. Noise and Fluctuations (ICNF). 22nd International Conference. Montpellier, France, 2013, pp. 1–4. doi: 10.1109/ICNF.2013.6578999Neri B., Pellegrini B., Saletti R. Ultra Low-Noise Preamplifier for Low-Frequency Noise Measurements in Electron Devices // IEEE Trans. on Instrumentation and Measurements. 1991. Vol. IM-40, № 1. P. 2–6. doi: 10.1109/19.69939Neri B., Pellegrini B., Saletti R. Ultra Low-Noise preamplifier for low-frequency noise measurements in electron devices. IEEE transactions on instrumentation and measurements. 1991, vol. 40, no. 1, pp. 2–6. doi: 10.1109/19.69939Three-channel Amplifier for High-Sensitivity Voltage Noise Measurements / G. Giusi, F. Crupi, C. Ciofi, C. Pace // Review of Scientific Instruments. 2006. Vol. 77, № 1. P. 095104(1–5).Giusi G., Crupi F., Ciofi C., Pace C. Three-channel amplifier for high-sensitivity voltage noise measurements. Review of Scientific Instruments. 2006, vol. 77(1), pp. 095104-1–095104-5.Giusi G., Crupi F., Pace C. Ultra Sensitive Low Noise Voltage Amplifier for Spectral Analysis // Review of Scientific Instruments. 2008. Vol. 79, № 1. P. 084701(1–6).Giusi G., Crupi F., Pace C. Ultra sensitive low noise voltage amplifier for spectral analysis. Review of Scientific Instruments, 2008, vol. 79(1), pp. 084701-1– 084701-6.Ivanov V. E., Chye En Un. Simple Programmable Voltage Reference for Low Frequency Noise Measurements // J. of Physics: Conf. Series. 2018. Vol. 1015. P. 052011(1–5). doi: 10.1088/1742-6596/1015/5/052011Ivanov V. E., Chye En Un. Simple programmable voltage reference for low frequency noise measurements. Journal of Physics: Conf. Series. 2018, vol. 1015, 052011, pp. 1–5. doi: 10.1088/1742-6596/1015/5/052011Иванов В. Э., Чье Ен Ун. Универсальные модули предварительной обработки для систем регистрации сигналов // Приборы. 2017. № 3 (201). С. 31–37.Ivanov V. E., Chye En Un. Universal preprocessing modules for signal acquisition systems. Pribory [Devices]. 2017, no. 3 (201), pp. 31–37. (In Russ.)Ivailo M. Pandiev. Analysis And Simulation Modeling of Programmable Circuits using Digital Potentiometers // Intern. J. of microelectronics and computer science. 2014. Vol. 5, № 4. P. 127–135.Pandiev I. M. Analysis and simulation modeling of programmable circuits using digital potentiometers. Intern. journ. of microelectronics and computer science. 2014, vol. 5, no. 4, pp. 127–135.Noise Analysis In Operational Amplifier Circuits. Application Report SLVA043B. Digital Signal Processing Solutions. Dallas, Texas: Texas Instruments, 2007. 23 p. URL: http://www.ti.com/lit/an/slva043b/slva043b.pdf (дата обращения: 02.07.2019)Noise Analysis In Operational Amplifier Circuits. Application Report SLVA043B. Digital Signal Processing Solutions. Dallas, Texas: Texas Instruments, 2007. 23 p. Available at: http://www.ti.com/lit/an/slva043b/slva043b.pdf (accessed 02.07.2019)Modbus over serial line for legacy applications only. URL: http://www.modbus.org/docs/PI_MBUS_300.pdf (дата обращения: 02.07.2019)Modbus over serial line for legacy applications only. Available at:http://www.modbus.org/docs /PI_MBUS_300.pdf (accessed 02.07.2019)http://www.modbus.org/docs /PI_MBUS_300.pdf (accessed 02.07.2019)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.