Усиление сигнала нВ через небольшое сопротивление

Меня интересует возможность усиления / измерения уровня нВ (или иным образом предполагаемого очень малого) сигнала через небольшое сопротивление.

Отношение сигнал / шум этого сигнала само по себе не так уж плохо из-за очень малого теплового шума из-за малого значения сопротивления. Мое главное беспокойство заключается в том, что имеющиеся в продаже малошумящие усилители, по-видимому, неизбежно добавляют входной шум на уровне нескольких нВ на квадратный корень герц, очевидно, подавляя сигнал.

У меня есть другой вариант? Я думал, что из-за небольшого сопротивления мне может не понадобиться усилитель с таким высоким входным сопротивлением, который может частично вызывать шум? Я не уверен.

Интересующий спектр важен: некоторые очень хорошие усилительные устройства имеют очень высокий уровень шума на частотах ниже 10 Гц.

Стоит рассмотреть два варианта: первый - это биполярные транзисторы для обеспечения полезного усиления перед вторым этапом операционного усилителя.

Почему бы не пойти прямо в операционный усилитель? Они довольно шумные, очень немногие имеют входное шумовое напряжение ниже 1 нВ / рГц, и вы хотите добиться большего.

PNP-транзисторы являются предпочтительными, благодаря их более низкому базовому сопротивлению распространению. Одним примером с хорошей репутацией несколько лет назад был 2SC2547, таблица данных по- прежнему доступна здесь ...

Посмотрите на контуры с постоянным коэффициентом шума на странице 6, которые помогают построить контуры 2 дБ и 4 дБ, но не самые полезные 3 дБ, поэтому вам придется интерполировать их. Но на графике 1 кГц показан минимальный уровень шума при Ic = 10 мА с коэффициентом шума 3 дБ при сопротивлении источника от 10 до 20 Ом - назовите его 15 Ом.

Это означает, что этот транзистор при Ic = 10 мА может быть таким же шумным, как и резистор 15 Ом, с частотой 1 кГц или выше. Кривые примечаний для 120 Гц и 10 Гц позволяют выбрать другую рабочую точку, если важны более низкие частоты.

Шум Джонсона (из Wiki) можно рассчитать как

0,13 * sqrt (R) нВ / рГц.

Таким образом, 0,9 нВ нВ / ртГц будет шумом резистора на 48 Ом, в то время как этот транзистор (или резистор 15 Ом) даст 0,5 нВ / ртГц.

Я использовал его на входных каскадах усилителя микрофона, в типичной конфигурации входа микрофона (длиннохвостая пара, источник тока, питающий оба излучателя, 470R или 1K в каждом коллекторе {питающий операционный усилитель, и он делает то, что говорит на олове.

Менее экзотические PNP-транзисторы, такие как скромный BC214 или новее, тоже могут работать достаточно хорошо.

Второй вариант, если интересующий спектр не включает в себя постоянный ток, - это повышающий трансформатор, чтобы согласовать полное сопротивление источника с шумовым сопротивлением выбранного вами усилителя.

Например, если вы выбираете NE5534A с 3,5 нВ / рГц или импедансом шума 700 Ом, а ваш импеданс источника составляет 1 Ом, вам необходимо коэффициент трансформации сопротивления 1: 700 или коэффициент трансформации напряжения (коэффициент поворотов): 1:26 (кв. (700).

Основное сопротивление трансформатора, конечно же, является источником шума: оно должно быть относительно небольшим витком и проводом большого диаметра, чтобы сдерживать сопротивление (и, следовательно, шум). Сопротивление вторичной обмотки также имеет значение, хотя его шум добавляется поверх повышенного вторичного напряжения.

Согласование импеданса шума позволяет вам получить максимальную производительность от любого усилителя, который вы выберете.

FET входной ток не страдают от одних и тех же источников шума как резисторы, которые, как они все еще могут иметь <100nVpp шум с входными сопротивлениями в тера диапазоне Ом.

Аналоговые устройства создают 32-битный АЦП с предусилителем с входным шумом <100 нВпп, вы можете усреднить множество выборок, чтобы попытаться улучшить минимальный уровень шума (5 с / с в течение часа должны дать вам пару дополнительных битов «бесшумных» данных ).

Что же касается общих операционных усилителей, то операционные усилители AD8000 имеет только ~ 20nVpp шум от 0,1 - 10 Гц, что это пика до пика шума, а не корневой Гц.

Есть британская компания, которая производит на вид не сверхпроводящие пиковольтметры! У них может быть что-то полезное.

В противном случае, посмотрите, можете ли вы позаимствовать чей-то блокирующий усилитель. Но использование одного из них НЕ для финт сердца.

Помните, что не имеет значения, что вы делаете, почти всегда есть другой путь , не обязательно лучший , но у вас обычно есть варианты. Хитрость в том, чтобы найти их.

Для меня совсем не очевидно, что «несколько» нВ / кв. Гц шум затопляет ваш сигнал, поскольку вы ничего не сказали о пропускной способности. Если ваша пропускная способность очень низкая, то проблем может не быть. Обратите внимание, что это пропускная способность, а не максимальная частота.

Обратите внимание, что указанный шум нВ / кв. Гц выше угловой частоты 1 / f, и если ваша частота низкая, вы также можете внести существенный вклад в шум 1 / f. Усилители-прерыватели имеют намного меньший 1 / f-шум, но часто страдают от относительно высокого белого шума.

Блокирующий усилитель, являющийся стандартным комплектом во многих лабораториях, эффективно имеет очень низкую пропускную способность из-за синхронной демодуляции. Модулируя и демодулируя, в некоторых обстоятельствах вы можете работать в области белого шума вашего усилителя (постоянная нВ / кв. Гц), а не на нижнем уровне.

Если сигнал превышает несколько десятков Гц, а сопротивление источника низкое, вы можете получить усиление, используя простой повышающий трансформатор на входе. Разумеется, от сопротивления обмотки будет зависеть шум Джонсона-Найквиста. Трансформатор с отношением витков 1: n уменьшает сопротивление на 1 / sqrt (n) и в идеале уменьшает шум на 1 / n.

Также возможно создать произвольно малошумящий усилитель, просто распараллеливая 'n' малошумящие усилители и суммируя выходы. Входной импеданс уменьшается с 1 / n, а некоррелированный шум уменьшается с 1 / sqrt (n), поэтому 100 усилителей параллельно будут иметь 1/100 входного импеданса и (в идеале) 1/10 шума.

Если у вас есть криостат с жидким гелием и некоторые доступные СКВИДы постоянного тока, вы можете получить гораздо более низкий уровень шума, но ваш бюджет не окупит даже один кабель, не говоря уже о настройке.

Эта схема имеет усиление 60 дБ на частоте 1 кГц, повышаясь до 86 дБ ниже 50 Гц. Уровень шума <1nV / rtHz.

Рассмотрим предварительный усилитель NJFET с присущим DC_blocking, потому что предварительный усилитель имеет компенсацию RIAA, а поворот / поворотный стол проигрывателя должен быть отклонен. Эта схема с веб-сайта diyAudio.com (форум «Simplistic NJFET RIAA») обеспечивает усиление 60 дБ, предназначенное для преобразования 250 мкВ в 0,25 вольт. SNR для 250 мкВ, выход картриджа MovingCoil, будет впечатляющим; строители этих микросхем (десятки были построены) говорят о том, что «музыка приходит к вам из абсолютной тишины - ни шипения, ни гула, ни шума, даже когда усиление усилителя мощности запущено до максимума».

Учитывая полное отсутствие PowerSupplyRejection (обратите внимание, что набор усиления R1 и набор усиления R10 привязаны к шине 45 В, хотя и с C5 и C6 для 2-й ступени усиления и выходного буфера) для первой ступени усиления (двойные NJFETS с биполярным каскадом Q3 для устранения Миллера). эффект), вам нужно использовать соответствующий регулятор SHUNT:

Разработчик схем «salas» также является одним из модераторов diyAudio, и, вероятно, будет удивлен, если вы зайдете и спросите об использовании схем для датчиков, отличных от MovingCoils. 2SK170 имеет плотность шума значительно ниже 1 нВольт / рГц; некоторые люди используют 2 параллельно; некоторые люди идут параллельно на 4, возможно, с несколькими омами в источниках FET, чтобы поощрять более равное распределение тока, хотя значительная часть этого форума обсуждает измерение NJFET и сортировку до уровня соответствия 1% (1 / 10ma из 10 или 15 мА).

Экспериментаторы пишут, что они довольны MovingCoils в диапазоне от 2 до 10 Ом; датчики MC с сопротивлением 6 Ом будут 1 нВ / кв. (10) или 0,316 нВ / рГц. Для использования таких датчиков с низким уровнем шума требуется существенная инфраструктура; Вот один такой физический пример:

Обратите внимание, что силовой трансформатор 50 Гц (большинство сборщиков в Европе) и выпрямители, а первая CLC-фильтрация - это REMOTE BOX с кабелями длиной в метр, подводящими 55 вольт к блоку каналов LeftRight на переднем плане, с шунтирующим регулятором в крайнем левом углу. / справа и фактический RIAA (обратите внимание на огромные черные пленочные конденсаторы, для минимальной музыкальной окраски от диэлектрического сжатия) Предусилители в середине. Обратите внимание на тяжелые алюминиевые коробки. Внизу также теплоотвод для шунтирующих регуляторов. Это может быть квасцы или сталь? Я не знаю.

редактировать Ваша цель - точное измерение 1 нано вольт. Из очень низкого источника. Вам нужно будет проложить несколько проводов от «шунта датчика» к предварительному усилителю. Эти провода являются путями-кандидатами для всех видов мусора. Каждый бит энергии 60 Гц, энергии 120 Гц, для метров вокруг, исследует эти провода на предмет полезной проводимости. И эти черные кирпичи, переключающие регистры, также нуждаются в путях возврата.

Осмотрите изоляцию проигрывателя и картриджа. Экранирование, использование 5-го провода (помимо 4-х проводов от датчиков канала LeftRight). Вы должны минимизировать использование этих 4 + 1 проводов для посторонней энергии. Расстояние может быть вашим единственным другом. Все же есть надежда. Вот фотография силового трансформатора "racetrack", ценного метода для лучшей изоляции Efield между 117VAC / 220VAC и выпрямленным необработанным DC (перед входом в ShuntReg):

Обратите внимание, что первичная и вторичная обмотки находятся в отдельных формах катушек, сводя к минимуму емкостную связь мусора линии электропередачи с предусилителем, который затем требует обратного пути обратно к заземлению за пределами здания, причем провода к датчику являются частью пути исследованы.

На высокой частоте используйте трансформатор (катушки с воздушным сердечником) для решения этой проблемы низкого напряжения. В качестве усилителей используют триоды, они имеют низкий уровень шума. Используйте металлическую фольгу или проволочные резисторы и старайтесь держать их при низкой температуре.

Если сигнал переменного тока и узкополосный, то почему бы не использовать настроенный трансформатор, чтобы поднять напряжение до разумного уровня, при котором будут работать обычные методы?

Трансформатор имеет низкий DCR и, следовательно, низкий тепловой шум. Если он хорошо экранирован, это будет очень полезно.

Вот конструкция OpAmp с использованием 1 OpAmp плотности шума нановольт, в Avcl = 60 дБ и 100 дБ; ступень 1 связана с постоянным током, чтобы избежать огромных конденсаторов (уязвимых для помех Efield); ступень 2 блокируется постоянным током в сети с усилением; для забавы я включил 10 милливольт помех PowerSupply в каждый операционный усилитель. Результат? SNR составляет -70 дБ. Vout составляет 29 милливольт; тепловой шум составляет 1 вольт; шум источника питания составляет 93 вольт. [Без пульсации источника питания SNR составляет -31,5 дБ]

И вот почему корзина PowerSupply проходит так сильно: PSRR OpAmp составляет всего 80 дБ (значения по умолчанию) И LsRsCs на VDD OpAmp не влияют на пульсации 60/120 (Caps должны быть намного больше, а серии Rs на минимум в 10 раз больше).

Теперь добавьте преимущество усилителя Локона: смоделированный как полоса пропускания 25 Гц, с Q = 100. Отношение сигнал / шум улучшается (с входом 1 нановольтPP) с -30 дБ до -5 дБ. Обратите внимание, в правом верхнем углу я нажал "Гаргульи" и "PSI". Также обратите внимание, что под окнами SNR / ENOB я установил значение FOI FrequencyOfInterest ровно 25 Гц, необходимое из-за фильтра highQ. И я использовал ступень LowPass Filter LRC, чтобы я мог разместить LC-резонанс точно на 25,00 Гц, используя рабочий лист; при Q = 100 это необходимо.

Вот график шума, охватывающий от 24 до 26 Гц. Обратите внимание на множество источников шума, перечисленных справа, но важны только шум усилителя и Rg. Rg - это 10,01 Ом на землю, устанавливая усиление в 60 дБ для этого Buffered Gain Follower. Опять же, шум первого операционного усилителя равен 62 Ом или 1,0 нВ / рГц.