Voltaje mínimo para el amplificador de CC

No hay un límite real para amplificar incluso una señal sub pico-voltio. Si puede extraer esa señal del ruido es una cuestión completamente diferente. El ruido ya puede estar presente en su señal o puede ser agregado por el amplificador. Para los amplificadores operacionales, hay un par de números en la hoja de datos que describen cuánto agrega ruido el amplificador.

La densidad de ruido de voltaje describe la potencia efectiva por hertz de ancho de banda. Un op-amp razonable tendrá una cifra como 10 nV por \ $ \ sqrt {Hz} \ $. Esto puede parecer confuso, pero si ajusta la densidad del ruido de voltaje y la referencia a 1 ohmio, se convierte en potencia por hercio. Si tiene una señal que puede ocupar un ancho de banda de 20 kHz (es decir, audio), tome la raíz cuadrada de 20,000 (es igual a 141) y multiplíquela por 10nV (= 1.41 \ $ \ mu \ $ volts). Este es el voltaje RMS equivalente en la entrada de su amplificador. Si el amplificador tiene una ganancia de 1000, entonces el ruido de salida es de 1.41 mili voltios RMS. Para tener una idea razonable de esto como una señal pico a pico, multiplíquelo por 6.6. ¿Por qué 6.6? Se trata de que la densidad del ruido sea de naturaleza gaussiana y multiplicarse por 6.6 significa que ha aplicado 6.6 desviaciones estándar a una señal aleatoria para predecir cuáles son los extremos (dentro de un nivel de confianza del 99.9%): -

Otro puntero al ruido en el amplificador operacional es el ruido pico a pico de baja frecuencia. Se especifica de manera diferente a la densidad de ruido de voltaje (arriba) porque es una fuente de ruido diferente. Normalmente esto cubre el rango de frecuencia de 0.1Hz a 10Hz y se especifica en \ $ \ mu \ $ volts p-p. Si su banda de frecuencia de interés cubre esta área, debe tenerse en cuenta.

La densidad de ruido de corriente es como la densidad de ruido de voltaje, excepto que define cuáles son los ruidos de corriente de polarización de los transistores de entrada. Para convertirlo a un voltaje equivalente, se multiplica por las resistencias de la fuente (externa) en y alrededor de sus circuitos de entrada.

Y finalmente (probablemente), está el ruido de los mismos resistores. Esto no tiene nada que ver con tu amplificador. El ruido de voltaje de una resistencia es: -

\ $ \ sqrt {4 \ cdot k_B \ cdot T \ cdot R \ cdot \ Delta F} \ $

Donde

• \ $ k_B \ $ es la constante de Boltzmanns
• T es la temperatura absoluta en kelvins
• R es la resistencia en ohms
• \ $ \ Delta F \ $ es el rango de frecuencia en el que está interesado.

Para una resistencia de 1k ohmios a temperatura ambiente normal (300K) producirá una densidad de ruido de voltaje de aproximadamente 4nV por \ $ \ sqrt {Hz} \ $.

Y una vez que haya calculado las tres densidades de ruido (ruido de voltaje, ruido actual y ruido de resistencia) puede agregarlas todas juntas usando \ $ \ sqrt {A ^ 2 + B ^ 2 + C ^ 2} \ $ para obtener un ruido de entrada equivalente. Siempre trato el ruido de 0.1Hz a 10Hz como una entidad separada y no lo mezclo con las tres densidades de ruido que acabo de mencionar.

Las señales analógicas son continuas. Un buen amplificador multiplicará lo que venga por el factor de ganancia. No importa si es 1 V o 10 µV. Si el amplificador tiene una ganancia de voltaje de 10, por ejemplo, entonces la entrada de 1 V causará una salida de 10 V, y la entrada de 10 µV causará una salida de 100 µV.

Sin embargo, el problema real no se trata de cuán pequeña es la señal que puede amplificar un amplificador, sino de cuán pequeña puede ser una señal en su sistema antes de que quede atrapada en el ruido. Esta métrica depende de dos cosas, qué tan grande es el ruido en su sistema y qué tan fuerte debe ser la señal que el ruido para cumplir su propósito. Este último se denomina relación señal / ruido y generalmente se expresa en dB.

Digamos, por ejemplo, que todas las fuentes de ruido en la señal de salida de su amplificador ascienden a 100 µV cuando se hace referencia de nuevo a la entrada. Si coloca una señal de un micrófono que produce 1 mV, entonces tiene una relación de señal a ruido de 10: 1, que se expresa mejor a 20 dB. Ciertamente, podrías entender a alguien que habla con una relación señal / ruido de 20 dB, pero definitivamente también escucharás el ruido.

Eso podría ser como si alguien hablara junto a un fregadero con el agua corriendo. Sería utilizable pero sería considerado bastante malo para la comunicación de voz. Te quejarías a la compañía telefónica si tus llamadas sonaran así, y sería totalmente inaceptable para la música. Para el audio "Hi-Fi", por lo general, comienza a 90 dB aproximadamente y trata de subir desde allí. Por otro lado, si está enviando un flujo digital de niveles altos y bajos conocidos fijos, la relación señal / ruido de 20 dB es suficiente para detectar de manera confiable la señal digital en el otro extremo.

Tenga en cuenta que la ganancia del amplificador no tiene nada que ver con esto, por lo que es conveniente proyectar todo el ruido de nuevo en la entrada. En otras palabras, modela el amplificador como perfecto con una cierta cantidad de ruido agregado a su señal de entrada. Aumentar la ganancia aumenta el ruido junto con la señal deseada, por lo que la relación señal a ruido permanece igual.

Para un amplificador de CC, tiene las consideraciones adicionales de voltaje de compensación y deriva . Una forma de pensar acerca del voltaje de compensación es que es el ruido de CC. Es un error constante añadido a la señal de entrada. La deriva es cuánto varía esta constante con el tiempo. La razón por la que se pueden ignorar estos amperios de CA es que AC por definición significa frecuencias por encima de 0, y DC es exactamente 0. El bloque de amperios de CA desde DC (0 Hz) hasta una frecuencia mínima en la que comienzan a amplificarse. Para audio de alta fidelidad, por ejemplo, es aceptable bloquear frecuencias por debajo de 20 Hz ya que no podemos escucharlas. Los amplificadores de CA ignoran el offset de CC (0 Hz) y la deriva (muy cerca de 0 Hz), por lo que no importa.