Посилення nV-сигналу через невеликий опір

Мене цікавить можливість посилення / вимірювання рівня nV (або іншим чином вважається дуже малим) сигналу через невеликий опір.

SNR цього сигналу сам по собі не поганий через дуже малого теплового шуму, через невелике значення опору. Моє основне занепокоєння полягає в тому, що комерційно доступні підсилювачі з низьким рівнем шуму, здається, неминуче додають вхідний шум на рівні декількох нВ на квадратний корінний герц, очевидно, перепливаючи сигнал.

Чи є у мене інший варіант? Я думав, що через малий опір мені може не знадобитися підсилювач з таким високим вхідним опором, який частково може викликати шум? Я не впевнений.

Важливий спектр: деякі інакше дуже хороші підсилюючі пристрої мають надзвичайно високий шум на частотах нижче 10 ГГц.

Варто розглянути два варіанти: перший - це біполярні транзистори, щоб забезпечити корисне посилення перед другим етапом підсилювача.

Чому б не піти прямо на оппам? Вони досить галасливі, мало хто має вхідний шум напруги нижче 1 нВ / ртГц, і ви хочете зробити це краще.

Переважними є транзистори PNP, завдяки нижчому опору розтікання основи. Одним із прикладів з хорошою репутацією кілька років тому був 2SC2547, таблиця даних все ще доступна тут ...

Дивлячись на контури фігури постійного шуму на сторінці 6, на якій корисно побудовані контури 2 дБ та 4 дБ, але не найбільш корисні 3dB, тому вам доведеться інтерполювати між ними. Але на графіці 1 кГц показано мінімум шуму при Ic = 10 мА, при цьому цифра шуму 3dB має опір джерела між 10 і 20 Ом - назвіть це 15 Ом.

Це означає, що цей транзистор при Ic = 10mA може бути таким же галасливим, як 15-омний резистор - на рівні 1 кГц або вище. Криві ноти на 120 Гц і 10 Гц дозволяють вибрати іншу робочу точку, якщо важливі нижчі частоти.

Шум Джонсона (з Вікі) можна обчислити як

0,13 * sqrt (R) нВ / ртГц.

Так, 0,9nV нВ / ртГц був би шум резистора 48 Ом, тоді як цей транзистор (або резистор 15 Ом) давав би 0,5 нВ / ртГц.

Я використовував його на етапах введення мікрофонного підсилювача, в типовій конфігурації входу мікро-підсилювача (пара з довгими хвостами, джерело струму, що живить обидва випромінювачі, 470R або 1K у кожному колекторі {подача підсилювача, і він робить те, що написано на бляшанці.

Менш екзотичні транзистори PNP, такі як скромні BC214 або новіші, теж можуть зробити досить добре.

Другий варіант, якщо спектр, що цікавить, не включає постійний струм, - це посилюючий трансформатор, який відповідає вашому вихідному опору і шумовому опору вибраного вами підсилювача.

Наприклад, якщо ви вибрали NE5534A з 3,5 нВ / ртГц, або шумовий імпеданс 700 Ом, а ваш вихідний опір 1 Ом, вам потрібно коефіцієнт перетворення імпедансу 1: 700 або коефіцієнт перетворення напруги (коефіцієнт витків) 1:26 (sqrt (700).

Первинний опір трансформатора - це звичайно джерело шуму: він повинен мати відносно мало обертів та провід великого діаметра, щоб утримувати опір (а отже, і шум). Вторинний опір теж має значення, хоча його шум додається поверх посиленої вторинної напруги.

Відповідність шумового імпедансу дозволяє отримати найкращі показники роботи з будь-якого підсилювача.

Вхідні підсилювачі FET не страждають від тих же джерел шуму, що й резистори, тому вони все ще можуть містити <100nVpp шум із вхідними опорами в діапазоні тера Ом.

Аналогові пристрої створюють "32" бітний АЦП з підсилювачем із вхідним шумом <100 нВпп. Ви можете оцінити багато зразків, щоб спробувати покращити рівень шуму (5 секунд на годину має дати вам ще кілька додаткових біт даних "без шуму" ).

Що стосується загальних операційних підсилювачів, то підсилювач AD8000 має лише ~ 20nVpp шуму між 0,1 - 10 ГГц, це шум від піку до піку , а не кореневий Гц.

Є британська компанія, яка виготовляє, здавалося б, непровідні піковольтметри! Вони можуть мати щось корисне.

Інакше подивіться, чи можете ви запозичити чийсь підсилювач блокування. Але використання однієї з них НЕ для сприйняття серця.

Пам'ятайте, що неважливо, чим ви займаєтесь, майже завжди є інший спосіб , не обов'язково кращий спосіб, але зазвичай у вас є варіанти. Хитрість полягає в їх пошуку.

Мені зовсім не очевидно, що шум "кілька" нВ / квт Гц переповнює ваш сигнал, оскільки ви нічого не сказали про пропускну здатність. Якщо пропускна здатність дуже низька, то може не виникнути проблем. Зауважте, що пропускна здатність не є максимальною частотою.

Зверніть увагу, що заданий шум НВ / квт Гц вище кутової частоти 1 / f, і якщо частота низька, то, можливо, ви також зробите значний внесок від шуму 1 / f. Підсилювачі подрібнювача мають набагато менше шуму 1 / f, але часто страждають від відносно високого білого шуму.

Підсилювач, що блокується, стандартний комплект у багатьох лабораторіях, фактично має дуже низьку пропускну здатність через синхронну демодуляцію. Модулюючи та демодулюючи, в деяких обставинах ви можете працювати в області білого шуму вашого підсилювача (константа nV / sqrt Гц), а не на нижньому кінці.

Якщо сигнал вище декількох десятків Гц, а імпеданс джерела низький, ви можете отримати імпульс, використовуючи на вході простий підсилювальний трансформатор. Звичайно, буде внесок шуму Джонсона-Найкіста від опору намотування. Трансформатор із співвідношенням обертів 1: n зменшує опір на 1 / sqrt (n) і зменшує шум на 1 / n, в ідеалі.

Також можна побудувати довільно низький підсилювач шуму, просто паралелюючи підсилювачі з низьким рівнем шуму і підсумовуючи результати. Вхідний опір зменшується з 1 / n, а некорельований шум зменшується на 1 / sqrt (n), тому 100 підсилювачів паралельно матиме 1/100 вхідного опору і (в ідеалі) 1/10 шуму.

Якщо у вас є рідкий криостат гелію і деякі постійні квадрати, ви можете отримати набагато нижчий рівень шуму, але ваш бюджет не заплатить навіть за один кабель, не кажучи вже про установку.

Ця схема має коефіцієнт посилення 60 дБ на частоті 1 КГц, піднімаючись до 86 дБ нижче 50 ГГц. Підлога шуму <1nV / rtHz.

Розглянемо підсилювач NJFET, притаманний DC_blocking, оскільки передсилювач компенсований RIAA, а вау / тремтіння вертушки слід відхилити. Цей ланцюг із веб-сайту diyAudio.com (на форумі в ньому є "Спрощений NJFET RIAA") забезпечує посилення 60dB, призначене для перетворення 250 мікровольтів на 0,25 вольт. SNR для 250microVolts, вихід картриджа MovingCoil, буде вражаючим; домобудівники цих мікросхем (десятки побудовані) говорять про "музика виходить на вас з абсолютного тиху --- ні шипіння, ні гудіння, ні гудіння, навіть якщо посилення потужності підсилювача максимально".

Враховуючи повну відсутність PowerSupplyRejection (зверніть увагу, що набір посилення R1 і набір посилення R10 прив’язані до 45-вольтової рейки, хоча і з C5 і C6 для другого ступеня посилення та вихідного буфера) для першого етапу посилення (подвійний NJFETS з біполярним каскадом Q3 для усунення Міллера ефект), вам потрібно буде використовувати відповідний регулятор SHUNT:

Розробник мікросхем "salas" також є одним з модераторів для diyAudio, і, ймовірно, потішиться, якщо зайти і запитати про використання мікросхем для датчиків, відмінних від MovingCoils. 2SK170 має щільність шуму в межах 1nanoVolt / rtHz; деякі користуються 2 паралельно; деякі люди йдуть на 4 паралельно, можливо, з кількома Омами джерел FET, щоб заохотити більш рівномірний обмін струмом, навіть якщо велика частина цього форуму обговорює вимірювання та сортування NJFET до рівня 1% узгодження (1/10 з 10 або 15mA).

Експериментатори пишуть, що задоволені MovingCoils в діапазоні від 2 Ом до 10 Ом; 6 Ом MC датчиків буде 1nV / sqrt (10) або 0,316nV / rtHz. Для використання таких датчиків низького рівня шуму потрібна значна інфраструктура; ось один такий фізичний приклад:

Зверніть увагу на 50 ГГц силовий трансформатор (більшість будівельників в Європі) та випрямлячі, а перша фільтрація CLC - це КОРОБКА ВИДАЛЕННЯ, метри довгих кабелів підводять 55 вольт до коробки каналів LeftRight на передньому плані, а регулятор шунту в крайній лівій частині / справа та власне RIAA (зверніть увагу на величезні чорні плівкові конденсатори, для мінімальної музичної забарвлення від діелектричної компресії) Підсилювачі посередині Зверніть увагу на важкі алюмінієві коробки. У нижній частині також знаходиться тепловідведення для регулювачів шунта. Це може бути галиця чи сталь? Не знаю.

редагувати Ваша мета - точне вимірювання 1 нано вольт. Від дуже низького ресурсу. Вам потрібно буде провести кілька проводів від "сенсорного шунта" до попереднього підсилювача. Ці дроти є кандидатами-шляхами для всілякого сміття. Кожен біт енергії 60 Гц, енергією 120 Гц, для метрів навколо, вивчить ці дроти для корисної провідності. А тим чорно-цеглинам, що перемикають регістри, також потрібні шляхи повернення.

Вивчіть ізоляцію поворотного стола та картриджа. Екранування, використання 5-го проводу (крім 4 проводів від датчиків каналу LeftRight). Потрібно мінімізувати використання цих 4 + 1 проводів для сторонньої енергії. Відстань може бути вашим єдиним другом. І все ж є надія. Ось фото силового трансформатора "іподрому", найціннішого методу найкращої ізоляції Efield між 117VAC / 220VAC та випрямленим сирим постійним струмом (перед входом у ShuntReg):

Зауважте, що первинна і вторинна знаходяться на окремих котушкових формах, мінімізуючи ємнісну зв’язку відходів силових ліній в Преамп, що сміття потім вимагає зворотного шляху назад до заземлення за межами будівлі, при цьому дроти до датчика є частиною досліджені шляхи.

На високій частоті використовуйте трансформатор (котушки повітряного сердечника) для боротьби з проблемою низької напруги. Як підсилювачі використовують тріоди, вони мають низький рівень шуму. Використовуйте металеву плівку або резистори, намотані на дріт, і намагайтеся тримати їх на низькій температурі.

Якщо сигнал є змінного та вузькосмугового, то чому б не використати налаштований трансформатор, щоб підняти напругу до розумного рівня, де нормальні методи працюватимуть?

Трансформатор має низький DCR і, отже, низький тепловий шум. Якщо він добре екранований, це принесе велику користь.

Ось конструкція OpAmp, використовуючи 1AA щільності шуму на нано вольт, в Avcl = 60 дБ і 100 дБ; етап 1 з'єднаний постійним струмом, щоб уникнути величезних конденсаторів (вразливих до перешкод Ефіл); етап 2 блокується постійним струмом в мережі з набором посилення; для розваги, я включив 10 мілівольт перешкод PowerSupply у кожному OpAmp. Результат? SNR становить -70 дБ. Vout 29milliVolts; тепловий шум - 1 вольт; шум живлення - 93 вольт. [Без пульсації живлення, SNR становить -31,5 дБ]

І ось чому сміття PowerSupply проникає так сильно: PSRR OpAmp становить лише 80 дБ (значення за замовчуванням), а LsRsC на OpAmp VDD не впливають на пульсацію 60/120 (шапки повинні бути набагато більшими, а серія Rs на мінімум на 10 разів більше).

Тепер додайте перевагу підсилювача Lockon: моделюється як смуга пропускання 25 Герц, Q = 100. SNR покращує (з входом 1nanoVoltPP) від -30dB до -5dB. Зауважте, у верхньому правому куті я натиснув "Гаргойли" та "PSI". Зауважте також, що під вікнами SNR / ENOB я встановлюю значення FOI FrequencyOfInterest рівно 25 ГГц, необхідне через фільтр highQ. І я використовував етап LRC фільтра LowPass, тому я міг розмістити резонанс ЖК саме на 25.00 Гц, використовуючи робочий аркуш; при Q = 100 це необхідно.

Ось сюжетна діаграма, яка охоплює 24 до 26 ГГц. Зверніть увагу на безліч джерел шуму, перелічених праворуч, але важливі лише шум і підсилювач підсилювача. Rg - 10,01 Ом на землю, встановивши коефіцієнт посилення 60dB цього буферизованого прихильника. Знову ж таки, Rnoise першого операційного апарату становить 62_ohms, або 1,0nv / rtHz.