Аналоговые синхронные усилители SR124 / SR2124

На протяжении более полувека синхронный усилитель является предпочтительным инструментом для измерения небольших сигналов переменного тока в присутствии помех. Микропроцессорные решения появились в 1980-х годах, а к началу 1990-х годов даже аналоговые демодуляторы были заменены на АЦП высокого разрешения и цифровые сигнальные процессоры (ЦСП). В результате появилось дистанционное компьютерное управление, цифровые показания и удобные для пользователя передние панели.

Возможности современного ЦСП синхронного усилителя по стабильности, динамическому резерву и гибкости были революционными, что сделало его основой для исследователей и инженеров в различных областях. 

Осознавая, что не всем подойдет один вариант, Компания Stanford Research Systems с гордостью представил высокопроизводительные аналоговые усилители с низким уровнем шума - однофазный и двухфазный аналоговые синхронные SR124 и SR2124, использующие современные малошумящие аналоговые компоненты и методики проектирования.

Усилители SR124/SR2124 сделаны по двум основным принципам. Во-первых, сигнальный путь полностью построен из малошумящей аналоговой электроники: лучших полевых транзисторов с p-n переходом, транзисторов, операционных усилителей и дискретных компонентов. Во-вторых, управление конфигурацией осуществляется микроконтроллером, системные тактовые сигналы которого возникают только в те краткие моменты, которые необходимы для изменения коэффициентов усиления или настроек фильтра. Такая архитектура "clock-stopping", впервые представленная в предусилителе напряжения SR560, устраняет неудобства и проблемы надежности, связанные с механическими панелями управления, и делает возможным полное дистанционное управление этими синхронными усилителями.

Не позволяйте цифровым дисплеям вас обмануть - SR124 и SR2124 действительно останавливают все цифровые сигналы во время работы. На цифровых дисплеях отображается информация о точных настройках, такая как частота входного фильтра, сдвиг фазы демодулятора и амплитуда выходного сигнала источника. Электроника привода полностью статична, без "сканирования" или обновления для отсутствия малейших помех.

Когда микроконтроллер становится активным, загорается индикатор "CPU Activity", четко показывающий, когда работает цифровой тактовый генератор. Это происходит в ответ на нажатие кнопки на передней панели или команды удаленного компьютера.

Иногда необходимо быть уверенным, что ваш эксперимент пройдет спокойно: вы охладили образец до нескольких милликельвинов, вся проводка остается в целости и сохранности, а лучшее устройство, которое вы создали за весь год, готово к измерениям. Блокировочный тумблер на передней панели может быть установлен на "LOCKED OUT", заставляя цифровой тактовый генератор оставаться выключенными, даже если вы нажимаете другие кнопки или ручки. Аналоговая конфигурация усилителя остается стабильной, позволяя вам работать в течение нескольких минут, часов, дней - столько, сколько вам нужно.

Аналоговые синхронные усилители SR124 и SR2124 имеют входы напряжения и тока. Вход напряжения представляет собой односторонний/дифференциальный предусилитель на основе полевого транзистора со сверхнизким входным шумом 2,5 нВ/√Гц. Входное сопротивление составляет 10 МОм, а минимальная чувствительность входного напряжения составляет 100 нВ. Токовый входной предусилитель имеет выбираемое усиление 106 и 108 В/А. Предусмотрено соединение по переменному и постоянному току, и прибор может работать в "заземлённом" или "плавающем" режиме.

Компания Stanford Research Systems также производит различные дистанционные предусилители, включая SR550, SR551, SR552 и SR554, которые могут питаться непосредственно от порта питания предусилителя на задней панели синхронного усилителя. Эти предусилители обладают уникальными характеристиками, оптимизированными для различных экспериментальных условий. При использовании с SR124 или SR2124 они могут значительно улучшить ваши измерения.

Аналоговые синхронные усилители SR124 и SR2124 имеют несколько типов фильтров для предварительной подготовки сигнала до того, как он достигнет чувствительного к фазе детектора. Можно выбрать плоскую фильтрацию (без фильтрации), полосу пропускания, высокую пропускную способность, низкую пропускную способность и режекторную фильтрацию, а коэффициент Q для фильтра может быть установлен в диапазоне от 1 до 100.

В режиме полосы пропускания настраиваемый узкополосный усилитель отбрасывает сигналы вне полосы пропускания, обеспечивая дополнительный динамический резерв до 60 дБ.

Фильтры высоких и низких частот позволяют ограничить диапазон частот, подаваемых на синхронный усилитель, и отклонить частоты за пределами полосы пропускания. Крутизна спада для этих фильтров составляет -12 дБ на октаву.

В режиме режекторной фильтрации включается настраиваемый полосовой фильтр отбраковки, который обеспечивает затухание до 80 дБ на определенной частоте.

Динамический резерв синхронного усилителя при заданной полномасштабной входной чувствительности представляет собой отношение наибольшего интерференционного сигнала к полномасштабному входному напряжению. Наибольший интерференционный сигнал определяется как амплитуда самого большого сигнала на любой частоте, который может быть подан на вход до того, как усилитель не сможет измерить сигнал с указанной точностью.

Аналоговые синхронные усилители SR124 и SR2124 имеют динамический резерв до 60 дБ, в зависимости от настройки чувствительности и режима резервирования. Включение входного полосового фильтра может добавить от 20 до 60 дБ динамического резерва, делая максимально достижимый динамический резерв 100 дБ.

Входы обеспечивают два каскада фильтрации низких частот на выходе. Постоянные времени могут быть выбраны до 300 с для максимального снижения шума или до 1 мс. Крутизну спада характеристики фильтра можно выбрать -6 дБ или -12 дБ на октаву. Настройка минимальной постоянной времени обходит выходной фильтр, а полоса пропускания выходного сигнала просто определяется внутренней паразитной емкостью.

Функция смещения позволяет легко оценить небольшие изменения при наличии полномасштабного сигнала. Смещение можно настроить вручную в пределах ±1000 % (10×) от полной шкалы, или с помощью функции автоматического смещения установить значение смещения, равное значению сигнала, нажатием одной кнопки. После настройки смещения можно добавить усиление (до 10×), уменьшив настройку чувствительности.

Удобные автоматические функции позволяют быстро настроить оптимальные параметры синхронизации. Нажатие кнопок усиления, фазы или смещения запускает микроконтроллер, который затем регулирует чувствительность (усиление), сдвиг фазы для максимизации сигнала (фаза) или обнуление выхода (смещение). Кнопка "Ref Range" включает и выключает функцию автоматического изменения диапазона частот, которая позволяет при каждой разблокировке осциллятора автоматически устанавливать соответствующий диапазон опорного сигнала.

В SR124 и SR2124 предусмотрены три режима работы с опорным сигналом: внутренним, внешним и ГУН. Во всех режимах диапазон частот сначала выбирается в соответствующем разделе на передней панели - либо вручную, либо с помощью функции автоматического выбора диапазона "Ref Range".

В режиме внешних опорных сигналов прибор синхронизируется с внешним сигналом с амплитудой не менее 100 мВт/ч. Контрольный осциллятор синхронизирует фазу к положительным значениям пересечения нуля внешнего входа 0-позиции. Поддерживается синхронизация по f, 2f (вторая гармоника) или 3f (третья гармоника).

При работе в режиме с внутренним опорным сигналом  опорная частота устанавливается с передней панели с точностью ±0,1%. В дополнение к внутреннему и внешнему режимам, SR124 и SR2124 имеют встроенный генератор управляемого напряжения (ГУН), который может выступать в качестве опорного генератора. Вход ГУН на задней панели принимает сигнал от 0 до +10 В постоянного тока, что соответствует самым низким и самым высоким частотам в диапазоне, заданном на передней панели. Эта удобная функция позволяет фиксировать переменное управляющее напряжение.

Выходной синхронный опорный сигнал всегда присутствует на разъеме "Ref Out" (разъём BNC) на передней панели. Можно выбрать синусоидальную и прямоугольную формы волны, а выходную амплитуду можно установить в диапазоне от 100 нВ до 10 В. Эталон также доступен на задней панели. Четыре выхода со среднеквадратичным напряжением 1 В и фазовым сдвигом 0°, 90°, 180° и 270° могут использоваться для различных применений.

Биполярное напряжение смещения постоянного тока, независимо от опорной амплитуды переменного тока, может быть добавлено к опорному выходу путем включения функции "DC Bias". Эта функция особенно полезна при проведении дифференциальных измерений проводимости и соответствующих транспортных измерений, когда реакция переменного тока малого сигнала вашего эксперимента должна измеряться в диапазоне различных значений смещения. Значения смещения могут быть установлены до ±1000× опорной амплитуды, в зависимости от амплитуды.

SR2124 - это двухфазный усилитель, который имеет дисплеи для X и Y. SR124 является однофазным усилителем и имеет только один дисплей для X. Часто требуется регулировка фазы опорного напряжения. Ручное обнуление фазы можно легко выполнить, нажав на кнопку и повернув большую ручку до обнуления сигнала, затем сдвинуть фазу на 90°, или просто нажать кнопку автоматического переключения фаз. Разрешение фазы составляет 0,01°, а точность ±1° на средних частотах.

Для большинства приложений пользователи обычно работают в режиме Lock-In, но этот режим можно изменить на AC Volt, что позволяет использовать синхронизацию в качестве широкополосного или частотно-селективного вольтметра переменного тока. В этом режиме среднее абсолютное значение сигнала переменного тока может быть быстро измерено без использования опорного сигнала.

Для тех, кому необходимо компьютерное управление синхронным усилителем, на задней панели предусмотрен интерфейс RS-232. Все функции прибора могут быть настроены или считаны через интерфейс. При отправке команды на прибор микроконтроллер будет активирован, и могут появиться цифровые шумы. В это время светодиодный индикатор удаленной активности на передней панели предупреждает о наличии связи.

Для удаленного взаимодействия при полной электрической изоляции усилитель также оснащен волоконно-оптическим интерфейсом на задней панели. При подключении к блоку интерфейса удаленного управления SX199 предусмотрена возможность для управления через интерфейсы GPIB, Ethernet и RS-232.