Cómo evitar el ruido de Johnson en un amplificador de alta impedancia de entrada

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No tengo un circuito en el que esté trabajando, esta es más una pregunta teórica: estoy tratando de remediar una falla en mi comprensión.

Imagine que quiero construir un amplificador de impedancia de entrada alta para que funcione en el rango de mV bajo, con un poco de ruido nV / √Hz. Quiero amplificar una señal diferencial de 1-100kHz. Inicialmente, comenzaría con un amplificador de instrumentación de buena calidad (por ejemplo, AD8421 ) y simplemente ponga los condensadores en serie con ambas entradas.

Pero eso tiene un problema. No hay una ruta de CC a tierra en la entrada, por lo que probablemente se desvíe lentamente y enriquezca la salida. Así que necesito agregar una resistencia a tierra en cada entrada. Vea el primer circuito en el siguiente diagrama. Esa resistencia establecerá la impedancia de entrada de mi amplificador, que quiero tener alrededor de 100MΩ. Pero si calculo el ruido de Johnson que espero de dos resistencias de 100MΩ, obtengo \ $ \ sqrt {2} \ times \ sqrt {4k_BTR} \ $ ≈ 1.7 μV / √Hz

Llegué a la conclusión de que podría tener un ruido bajo o una impedancia alta, pero no ambas. Luego encontré un preamplificador de entrada comercial que se especifica a 3,6 nV / √Hz de ruido de entrada y una impedancia de entrada de 100MΩ. Eché un vistazo al interior y parece que usan el circuito de la derecha.

simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab

Los dos FET en el lado derecho son un par emparejado ( hoja de datos de google ), y forman la primera etapa del amplificador. Ya no hice ingeniería inversa del circuito, pero puedo hacerlo si es necesario.

Entonces, mi pregunta es: ¿Qué hay de malo en mi comprensión? ¿Por qué el segundo circuito no tiene alrededor de 1-2μV / √Hz de ruido blanco de las resistencias?

    
pregunta Jack B

2 respuestas

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El problema en su razonamiento es que no muestra la ruta completa de la señal. Más específico es el nivel de impedancia de la señal.

Tienes razón en que no puedes tener tanto una alta impedancia como un bajo ruido. Si desea que el ruido sea bajo, debe mantener la impedancia baja. Tan simple como eso.

En los dos circuitos que ha dibujado no está claro cuál es la impedancia de la fuente que utiliza para alimentar una señal a su amplificador. Suponiendo que los condensadores de acoplamiento de CA sean grandes y que la impedancia de esta fuente sea baja (por ejemplo: 50 ohmios), ¡el ruido será bajo!

¿Por qué? Debido a que el ruido generado por las resistencias de polarización de 100 Mohm DC estará en cortocircuito por los condensadores de acoplamiento de CA y esa baja impedancia de la fuente. Entonces, en esta situación, la impedancia de señal efectiva (a una cierta frecuencia) es mucho menor que 100 Mohm. Resultando en un bajo ruido.

Si la impedancia de la fuente de 50 ohmios no estuviera allí, la corriente de ruido se multiplicaría por los 100 Mohm de la resistencia en sí, lo que daría como resultado un alto nivel de ruido.

Puede hacer cálculos sobre esto más fácilmente considerando la corriente de ruido generada por las resistencias de 100 Mohm. Esa corriente se multiplicará por la impedancia de la fuente de la señal (por ejemplo, 50 ohmios), lo que dará como resultado un pequeño voltaje de ruido.

Por lo tanto, el circuito a la derecha no es mejor que el circuito a la izquierda. Lea atentamente cómo midieron ese bajo ruido y trate de averiguar cuál fue el nivel de impedancia de la señal de entrada. Le garantizo que habrán usado una impedancia de fuente tal que el ruido de las resistencias de polarización de 100 Mohm DC se puede ignorar (una impedancia de fuente muy baja, ¡incluso pueden haber puesto en cortocircuito / conexión a tierra las entradas!). En ese circuito, el ruido de los FET debe ser dominante, ya que estos deben determinar el nivel de ruido más bajo posible (al menos en un amplificador diseñado adecuadamente).

    
respondido por el Bimpelrekkie
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Recuerde que está conectando este amplificador a una fuente de señal, por lo que esta impedancia de 200M está en paralelo con la impedancia de fuente.

Mida el ruido del amplificador con el circuito abierto de entrada y verá el ruido previsto. (más una contribución de cualquier campo eléctrico en la entrada; es posible que necesite una prueba de detección para medir esto correctamente)

Mida el ruido del amplificador con la entrada en cortocircuito y verá el propio ruido inherente del amplificador.

Mida el ruido del amplificador con la impedancia de la fuente real a la que se conectará y verá el propio ruido inherente del amplificador. La relación de esto al ruido de la impedancia de la fuente solo es la "cifra de ruido" del amplificador.

Con una resistencia de fuente de 10Megohm (pierna a pierna) verá el ruido de Johnson de 2 resistencias en paralelo: 10Meg y 200 Meg, por lo que puede ver un ruido de 0.5dB menos que una resistencia de 10Meg solo (pero ha atenuado la señal) por la misma fracción también)

Con una fuente capacitiva, como una cápsula de micrófono de 30pf, la impedancia de la fuente es una red R-C paralela, así que trate el ruido de Johnson como la tensión de ruido de 200M, atenuada por una impedancia de la fuente de 200M en un condensador de 30pF. Será nominalmente plana hasta la frecuencia de -3dB, luego se reducirá en 6dB / octava.

    
respondido por el Brian Drummond