Amplificación de una señal de nV a través de una pequeña resistencia

El espectro de interés es importante: algunos dispositivos amplificadores, por lo demás muy buenos, tienen un ruido extremadamente alto en frecuencias por debajo de 10Hz.

Vale la pena considerar dos opciones: la primera es la de los transistores bipolares para proporcionar una ganancia útil antes de una segunda etapa.

¿Por qué no ir directamente a un opamp? Son bastante ruidosos, muy pocos tienen voltaje de ruido de entrada por debajo de 1 nV / rtHz, y desea hacerlo mejor que eso.

Se prefieren los transistores PNP, gracias a su menor resistencia a la expansión de la base. Un ejemplo con una buena reputación hace algunos años fue el 2SC2547, hoja de datos aún disponible aquí ...

Mirando los contornos de la figura de ruido constante en la página 6, que trazan contornos de 2dB y 4dB, pero no son los 3dB más útiles, por lo que debe interpolarlos. Pero la gráfica de 1 kHz muestra un mínimo en el ruido a Ic = 10 mA, con una figura de ruido 3dB con una resistencia de fuente entre 10 y 20 ohmios. Llámelo a 15 ohmios.

Eso implica que este transistor, a Ic = 10 mA, puede ser tan ruidoso como una resistencia de 15 ohmios, a 1 kHz o superior. Las curvas de notas para 120Hz y 10Hz le permiten elegir un punto de trabajo diferente si las frecuencias más bajas son importantes.

Johnson noise (de Wiki) se puede calcular como

0.13 * sqrt (R) nV / rtHz.

Entonces, 0.9nV nV / rtHz sería el ruido de una resistencia de 48 ohmios, mientras que este transistor (o una resistencia de 15 ohmios) daría 0.5 nV / rtHz.

Lo he usado en etapas de entrada de amplificador de micrófono, en una configuración típica de entrada de amplificador de micrófono (par de cola larga, fuente de corriente que alimenta a ambos emisores, 470R o 1K en cada colector {alimentando un opamp, y hace lo que dice en el estaño.

Los transistores PNP menos exóticos, como el humilde BC214 o más nuevo, también pueden funcionar razonablemente bien.

La segunda opción, si el espectro de interés no incluye CC, es un transformador elevador para hacer coincidir la impedancia de su fuente con la impedancia de ruido del amplificador elegido.

Por ejemplo, si elige el NE5534A con 3.5 nV / rtHz, o una impedancia de ruido de 700 ohmios, y su impedancia de fuente es de 1 ohmio, necesita una relación de transformación de impedancia de 1: 700, o una relación de transformación de voltaje (giros). relación) de 1:26 (sqrt (700).

La resistencia primaria del transformador es, por supuesto, una fuente de ruido: debe ser relativamente pocas vueltas y un cable de gran diámetro para mantener baja la resistencia (y por lo tanto el ruido). La resistencia secundaria también importa, aunque su ruido se agrega a la tensión secundaria incrementada.

La coincidencia de impedancia de ruido le permite obtener el mejor rendimiento de cualquier amplificador que elija.

FET no sufren las mismas fuentes de ruido que las resistencias, que es como pueden tener un ruido de < 100nVpp con resistencias de entrada en el rango de tera ohm.

Los dispositivos analógicos producen un ADC de 32 bits con preamplificador con un ruido de entrada de < 100 nVpp, puede promediar muchas muestras para intentar mejorar el nivel de ruido (5 sps por hora debería darle un par de bits adicionales de " sin ruido "datos).

En cuanto a los controles generales, el AD8000 opamp tiene solo ~ 20nVpp de ruido entre 0.1 - 10Hz, que es el ruido peak-to-peak , no root-Hz.

Hay una compañía británica que hace aparentemente no superconductor picovoltmeters! tener algo util

De lo contrario, vea si puede pedir prestado el amplificador de bloqueo de alguien. Pero usar uno de estos no es NOT para el corazón.

Recuerda, no importa lo que estés haciendo, casi siempre hay otra manera , no necesariamente una forma mejor , pero generalmente tienes opciones. El truco es encontrarlos.

Para mí, no es obvio en absoluto que 'unos pocos' nV / sqrt Hz inunden su señal, ya que no han dicho nada sobre el ancho de banda. Si su ancho de banda es muy bajo, entonces no puede haber un problema. Tenga en cuenta que no es la frecuencia máxima ancho de banda .

Tenga en cuenta que el ruido citado nV / sqrt Hz está por encima de la frecuencia de esquina 1 / f y si su frecuencia es baja, también puede tener una contribución significativa del ruido 1 / f. Los amplificadores Chopper tienen mucho menos ruido de 1 / f, pero a menudo sufren de ruido blanco relativamente alto.

Un amplificador de bloqueo, un kit estándar en muchos laboratorios, tiene un ancho de banda muy bajo debido a la demodulación síncrona. Al modular y demodular, en algunas circunstancias, puede operar en la región de ruido blanco de su amplificador (constante nV / sqrt Hz) en lugar de en el extremo inferior.

Si la señal está por encima de algunas decenas de Hz y la impedancia de la fuente es baja, puede obtener un aumento usando un transformador elevador simple en la entrada. Por supuesto, habrá una contribución de ruido de Johnson-Nyquist por la resistencia del devanado. El transformador con relación de 1: n disminuye la impedancia en 1 / sqrt (n) y disminuye el ruido en 1 / n, idealmente.

También es posible construir un amplificador de ruido arbitrariamente bajo simplemente poniendo en paralelo 'n' amplificadores de ruido y sumando las salidas. La impedancia de entrada disminuye con 1 / ny el ruido no correlacionado disminuye con 1 / sqrt (n), por lo que 100 amplificadores en paralelo tendrían 1/100 de la impedancia de entrada y (idealmente) 1/10 del ruido.

Si tiene un criostato de helio líquido y algún DC SQUIDs disponible, puede obtener niveles de ruido mucho más bajos pero su El presupuesto no pagará ni un solo cable, y mucho menos la configuración.

Este circuito tiene una ganancia de 60dB a 1KHz, llegando a 86dB por debajo de 50Hz. Piso de ruido y lt; 1nV / rtHz.

Considere un preamplificador NJFET, con DC_blocking inherente porque el preamplificador está compensado por RIAA y el wow / flutter del tocadiscos debe ser rechazado. Este circuito, del sitio web diyAudio.com (el foro en él es "RIAA NJFET simplista"), proporciona una ganancia de 60dB, destinada a convertir 250 microVolts en 0.25 voltios. La SNR para 250microVolts, la salida de un cartucho MovingCoil, será impresionante; los constructores de viviendas de estos circuitos (se han construido docenas) hablan de "la música te llega desde el silencio absoluto: sin silbidos ni zumbidos ni zumbidos, incluso con la ganancia del amplificador de potencia al máximo".

DadalafaltatotaldePowerSupplyRejection(tengaencuentaqueelconjuntodegananciaR1yelconjuntodegananciaR10estánvinculadosaunrielde45voltios,aunqueconC5yC6paralasegundaetapadegananciayelbúferdesalida)paralaprimeraetapa(NJFETSdobleconcascadabipolarQ3paraeliminarelefectoMiller),deberáusarelreguladorSHUNTapropiado:

Eldesarrolladordeloscircuitos"salas" también es uno de los moderadores de diyAudio, y probablemente se divertirá si se acerca y pregunta sobre el uso de circuitos para sensores que no sean MovingCoils. El 2SK170 tiene una densidad de ruido muy por debajo de 1nanoVolt / rtHz; algunas personas usan 2 en paralelo; algunas personas optan por 4 en paralelo, quizás con unos pocos ohmios en las fuentes de FET para fomentar un intercambio de corriente más igualitario, aunque una parte extensa de ese foro discute la medición y clasificación de NJFET al nivel de coincidencia del 1% (1 / 10ma de 10 o 15 mA).

Los experimentadores escriben acerca de estar complacidos con MovingCoils en el rango de 2 ohm a 10 ohm; los sensores de 6 Ohm MC serían 1nV / sqrt (10) o 0.316nV / rtHz. Se requiere una infraestructura sustancial para usar tales sensores de bajo ruido; Aquí hay un ejemplo físico:

Observeeltransformadordepotenciade50Hz(lamayoríadelosconstructoresestánenEuropa)ylosrectificadoresyelprimerfiltroCLCesunaCAJAREMOTA,concablesdeunmetrodelargoquellevanlos55voltiosalacajadelcanalLeftRightenprimerplano,conreguladordederivaciónenelextremoizquierdo/derechoyelRIAAreal(observelosenormescapacitoresdepelículanegra,paraunamínimacoloraciónmusicalapartirdelacompresióndieléctrica)Preamplificadoresenelmedio.Tengaencuentalascajasdealuminiopesadas.Elfondoestambiéneldisipadordecalorparalosreguladoresdederivación.¿Quepuedeseralumbreoacero?Nolosé.

editarSuobjetivoeslamediciónprecisade1nanoVolt.DeunZsourcemuybajo.Deberápasaralgunoscablesdesdela"derivación del sensor" al PreAmplifier. Esos cables son rutas de candidatos para todo tipo de basura. Cada bit de energía de 60Hz, de energía de 120Hz, por metros alrededor, explorará esos cables en busca de conductividad útil. Y esos ladrillos negros, reglas de conmutación, también necesitan rutas de retorno.

Examine el aislamiento de un plato giratorio y un cartucho. El blindaje, el uso de un quinto cable (además de los 4 cables de los sensores de canal LeftRight). Debe minimizar el uso de esos cables 4 + 1 para obtener energía extraña. La distancia puede ser tu único amigo. Sin embargo, hay esperanza. Aquí está la foto del transformador de potencia "pista de carreras", el método más preciado para el mejor aislamiento de Efield entre 117 VCA / 220 VCA y la corriente continua rectificada rectificada (antes de ingresar a ShuntReg):

Tenga en cuenta que el primario y el secundario están en formas de bobina separadas, lo que minimiza el acoplamiento capacitivo de la basura de la línea eléctrica al preamplificador, que la basura luego exige un camino de regreso a la tierra del exterior del edificio, con los cables al sensor una porción de los caminos explorados.

En alta frecuencia, use transformador (bobinas de núcleo de aire) para combatir ese problema de baja tensión. Como amplificadores, utilizan triodos, tienen poco ruido. Use láminas de metal o resistencias de alambre, e intente mantenerlas a baja temperatura.

Si la señal es de CA y de banda estrecha, ¿por qué no usar un transformador sintonizado para que la tensión alcance un nivel razonable en el que funcionen las técnicas normales?

El transformador tiene una baja DCR y, por lo tanto, bajo ruido térmico. Si está bien blindado será de gran beneficio.

Aquí hay un diseño de OpAmp, que utiliza 1 OpAmps de densidad de ruido de nanoVolt, en Avcl = 60dB y 100dB; la etapa 1 está acoplada en CC, para evitar enormes condensadores (vulnerables a la interferencia de Efield); la etapa 2 está bloqueada por CC en la red de ganancia establecida; Por diversión, he incluido 10 milivoltios de interferencia PowerSupply en cada OpAmp. ¿Resultado? la SNR es -70dB. Vout es 29milliVolts; el ruido térmico es de 1 voltio; El ruido de la fuente de alimentación es de 93 voltios. [Sin la ondulación de la fuente de alimentación, SNR es -31.5 dB]

YaquíestálarazónporlaquelabasuradePowerSupplysetransmitecontantafuerza:elOpAmpPSRRessolode80dB(valorespredeterminados)YlosLsRsCsenOpAmpVDDnotienenimpactoenelrizado60/120(losCapsdebensermuchomásgrandes,yserieRsalmenos10Xmásgrande).

AhoraagregueelbeneficiodeunamplificadorLockon:modeladocomounpasodebandade25Hz,conQ=100.LaSNRmejora(conentradade1nanoVoltPP)de-30dBa-5dB.Tengaencuenta,enlapartesuperiorderecha,hiceclicen"Gargoyles" y "PSI". También tenga en cuenta que, debajo de las ventanas SNR / ENOB, establezco el valor FOI FrequencyOfInterest en exactamente 25Hz, necesario debido al filtro highQ. Y utilicé la etapa LowPass Filter LRC, por lo que pude colocar la resonancia LC exactamente a 25.00Hz, usando la hoja de trabajo; en Q = 100 esto es necesario.

Aquíestálagráficaderuido,queabarca24a26Hz.Observelasnumerosasfuentesderuidoenumeradasenelladoderecho,perosoloelruidodelamplificadoryelRgsonimportantes.Rgesel10.01ohmiosatierra,queestablecelagananciade60dBdeeseseguidordegananciaenbúfer.Unavezmás,elRnoisedelprimeropampes62_ohms,o1.0nv/rtHz.