¿Cómo mide las señales de orden de nano voltio?

Obtener menos de 100-200nV en un rango de frecuencia de, digamos, 0.001Hz a 80Hz requiere el uso de técnicas de demodulación síncrona. Los mejores amplificadores operacionales monolíticos (p. Ej., LT1028) tienen un ruido de voltaje de aproximadamente 0.9nV sqrt (Hz) solo por encima de su frecuencia de esquina, por lo que aproximadamente 8nV para 80Hz BW, pero su frecuencia de esquina de ruido típica es de varios Hz, por lo que el ruido de 1 / f domine a menos que su requerimiento real sea más como 20-80Hz. El ruido actual en el rango de ruido blanco es de alrededor de 5pA / sqrt (Hz), por lo que causará una contribución igual a la impedancia de la fuente de 180 ohmios (y la esquina 1 / f del ruido actual en realidad está muy por encima de los 80Hz, por lo que el ruido total será mucho mayor) mayor). También hay ruido de Johnson-Nyquist en la resistencia de la fuente que puede aportar cantidades significativas de ruido blanco: a temperatura ambiente, una resistencia de 1000 ohmios tiene un ruido RMS de aproximadamente 137 nV en su BW de 80Hz.

Un LT1028 solo tiene un ruido típico de 35 nVp-p (90 nV máximo) de 0.1Hz a 10Hz, por lo que es posible si puede relajar el requisito de ancho de banda de baja frecuencia: será aproximadamente el doble que de 0.1Hz a 80Hz. Eso es p-p no RMS.

Si no puede relajar el requisito de baja frecuencia, la mayoría de lo que le preocupa se llamará 'deriva', ya que está por debajo de las esquinas de frecuencia de esquina 1 / f de voltaje y ruido de corriente del amplificador. Los llamados amplificadores monolíticos de deriva cero están hechos con técnicas CMOS y tienden a tener un ruido relativamente alto en frecuencias más altas, generalmente de más de 1uV en el BW de 80Hz, pero poco o ningún ruido de 1 / f. Entonces, ¡100-200nV no es tan fácil sin mucho ruido de 1 / f!

Para tales requisitos, un enfoque es tratar de modular la fuente y usar técnicas de demodulación sincrónica (amplificar, filtrar en una banda estrecha, usar un detector sensible a la fase y un filtro de paso bajo) en toda la cadena de señal. En un laboratorio, el instrumento que hace esto se denomina "amplificador de bloqueo", un instrumento de montaje en rack. La idea es cambiar el ancho de banda de la señal del dominio 1 / f a la región de ruido blanco para que el ruido sobre su ancho de banda de 80Hz se minimice.

Un diseñador experto puede hacerlo significativamente mejor que las partes monolíticas (generalmente a un alto costo en potencia, costo, impedancia de entrada, complejidad, etc.), pero aún así hay límites. Por ejemplo, si la impedancia de la fuente es lo suficientemente baja, podemos en paralelo 100 transistores en la entrada y obtener un orden de magnitud de mejora, en teoría. Existen otros métodos de fuerza bruta, como el funcionamiento de los transistores a una corriente más alta.

Para los requisitos más extremos, costo y conveniencia sin objeto, recomendaría el uso de un SQUID bajo de Tc (4.2K - eso es Kelvin, no K ohms). Es posible obtener mediciones con ruido en el rango sub nV, con extremo cuidado. La resistencia de los cables que salen del criostato probablemente dominará el ruido.

Incluso a niveles de nanovoltios y con SNR (relativamente) bajos, hay muchos receptores / amplificadores establecidos que pueden proporcionarle una señal amplificada de manera aceptable sin introducir demasiado ruido propio. Tales "amplificadores de señal pequeña" y / o "amplificadores de bajo ruido" se usan comúnmente en receptores de radio altamente sensibles.

Desafortunadamente, sin embargo, el uso de frecuencias en la región de 0-80 hz colocará el "zumbido de la red eléctrica" inevitable (casi) de 50 a 60 hz dentro de su ventana de frecuencia. Para poder detectar de manera confiable tales señales pequeñas en una ventana de frecuencia compartida con ESTE elefante en particular, es posible que deba tomar "medidas extremas".

Esto es posible con amplificadores operacionales modernos de calidad moderada. El ruido de 50/60 Hz será un pequeño problema, aunque ... Recomendaría utilizar una configuración de amplificador diferencial de múltiples etapas. La primera etapa puede amortiguar y amplificar un bit, luego crear un filtro de muesca de 50/60 Hz con ganancia si es posible en la segunda etapa.

Aquí hay algunos buenos consejos de ingeniería, pero antes de que te preocupes demasiado por un diseño real, debes responder dos preguntas: "¿Qué sabes sobre la señal?" y "¿Qué sabes del ruido?" Hasta ahora has dicho que la señal está en el rango de 0-80Hz. Si toda la información que te importa está contenida dentro de ese ancho de banda, entonces, por supuesto, lo primero que quieres hacer es rechazar cualquier cosa que no sea eso. Pero, ¿qué más sabe sobre la señal y cuáles son las características del ruido dentro de ese ancho de banda? Si no hay una diferencia fundamental entre la señal y el ruido, entonces todos los circuitos del mundo no le ayudarán a diferenciarlos. ¿Es el ruido puramente aleatorio (es decir, térmico), y tiene la señal alguna estructura que le permita distinguirlo de la aleatoriedad pura? ¿Es el ruido inherente a su caja negra o alguna forma de interferencia (por ejemplo, zumbido de 50 / 60Hz)? Típicamente, a niveles de señal de nanovoltios, en cualquier sistema real, la respuesta es "todo lo anterior". Es decir, habrá múltiples fuentes de ruido, cada una con sus propias características, y tendrás que luchar en múltiples frentes.

Como dijo usted mismo en una de sus respuestas, "por ejemplo, si lo conecta al osciloscopio, ¿cómo reconocería cuál es el ruido, cuál es la señal real?" Es posible que no pueda reconocerlo visualmente, pero si hay una distinción teórica entre la señal y el ruido, necesita averiguar qué es esa distinción y eso determinará cómo ataca el problema. Si esto fuera un ejercicio teórico y no tuviera idea de qué función estaba realizando la caja negra, entonces no habría ninguna base para decir que cualquier cosa que apareciera en su salida fuera una señal o un ruido. Si es algo real, entonces piense en lo que se supone que debe hacer, y eso le dará una idea de qué esperar en su salida.