Wzmacnianie sygnału nV na małej rezystancji

Jestem zainteresowany wykonalnością wzmocnienia / pomiaru poziomu nV (lub w inny sposób zakładany bardzo mały) sygnał na małej rezystancji.

SNR tego sygnału sam w sobie nie jest taki zły z powodu bardzo małego szumu termicznego, z powodu małej wartości rezystancji. Moją główną obawą jest to, że dostępne na rynku wzmacniacze niskoszumowe wydają się nieuchronnie dodawać szum wejściowy na poziomie kilku nV na pierwiastek kwadratowy herca, oczywiście tłumiąc sygnał.

Czy mam inną opcję? Myślałem, że z powodu małej rezystancji może nie potrzebuję wzmacniacza o tak wysokiej rezystancji wejściowej, co może częściowo powodować szum? Nie jestem pewny.

Ważne spektrum jest ważne: niektóre poza tym bardzo dobre urządzenia wzmacniające mają wyjątkowo wysoki poziom szumów przy częstotliwościach poniżej 10 Hz.

Warto rozważyć dwie opcje: pierwsza to tranzystory bipolarne, które zapewniają użyteczny zysk przed drugim etapem opampa.

Dlaczego nie pójść prosto do opampa? Są dość głośne, bardzo nieliczne mają napięcie szumu wejściowego poniżej 1 nV / rtHz, a chcesz to zrobić lepiej.

Tranzystory PNP są preferowane ze względu na ich niższy opór rozproszenia. Przykładem z dobrą reputacją kilka lat temu był 2SC2547, arkusz danych wciąż dostępny tutaj ...

Patrząc na kontury ciągłego szumu, rysunek na stronie 6, który pomaga wykreślić kontury 2dB i 4dB, ale nie jest to najbardziej użyteczny 3dB, więc musisz interpolować między nimi. Ale wykres 1 kHz pokazuje minimum szumu przy Ic = 10mA, przy wartości szumu 3dB przy rezystancji źródła między 10 a 20 omów - nazywamy to 15 omów.

Oznacza to, że ten tranzystor przy Ic = 10mA może być tak głośny jak rezystor 15 omów - przy 1 kHz lub powyżej. Krzywe nutowe dla 120 Hz i 10 Hz pozwalają wybrać inny punkt pracy, jeśli ważne są niższe częstotliwości.

Hałas Johnsona (z Wiki) można obliczyć jako

0,13 * sqrt (R) nV / rtHz.

Tak więc 0,9nV nV / rtHz będzie szumem opornika 48 omów, podczas gdy ten tranzystor (lub opornik 15 omów) da 0,5 nV / rtHz.

Użyłem go w stopniach wejściowych wzmacniacza mikrofonowego, w typowej konfiguracji wejściowej wzmacniacza mikrofonowego (para z długimi końcówkami, źródło prądu zasilające oba nadajniki, 470R lub 1K w każdym kolektorze {zasilający opamp i robi to, co mówi na puszce.

Mniej egzotyczne tranzystory PNP, takie jak skromny BC214 lub nowszy, również mogą dać sobie radę.

Druga opcja, jeśli spektrum nie obejmuje prądu stałego, to transformator podwyższający napięcie, dopasowujący impedancję źródła do impedancji szumu wybranego wzmacniacza.

Na przykład, jeśli wybierzesz NE5534A o 3,5nV / rtHz lub impedancji szumów 700 omów, a impedancja źródła wynosi 1 om, potrzebujesz współczynnika transformacji impedancji 1: 700 lub współczynnika transformacji napięcia (stosunek obrotów) 1:26 (sqrt (700).

Pierwotna rezystancja transformatora jest oczywiście źródłem hałasu: powinna ona mieć stosunkowo niewiele zwojów i drut o dużej średnicy, aby utrzymać rezystancję (a tym samym hałas) na niskim poziomie. Drugi opór ma również znaczenie, chociaż jego szum jest dodawany do podwyższonego napięcia wtórnego.

Dopasowywanie impedancji szumów pozwala uzyskać najlepszą wydajność niezależnie od wybranego wzmacniacza.

Wzmacniacze wejściowe FET nie cierpią z powodu tych samych źródeł szumów co rezystory, dlatego nadal mogą mieć szum <100nVpp przy rezystancjach wejściowych w zakresie tera omów.

Urządzenia analogowe wytwarzają „32” bit ADC z przedwzmacniaczem z szumem wejściowym <100nVpp, możesz uśrednić wiele próbek, aby spróbować poprawić poziom szumu (5sps na godzinę powinno dać ci kilka dodatkowych bitów „wolnych od szumów” danych ).

Jeśli chodzi o ogólne opamps, opamp AD8000 ma tylko ~ 20nVpp hałasu pomiędzy 0,1 - 10 Hz, to peak-to-peak hałasu, a nie root-Hz.

Istnieje brytyjska firma, która wydaje pozornie nadprzewodzące pikowoltomierze! Mogą mieć coś pożytecznego.

W przeciwnym razie sprawdź, czy możesz pożyczyć czyjś wzmacniacz blokujący. Ale użycie jednego z nich NIE jest z powodu zwodu serca.

Pamiętaj, że nie ma znaczenia, co robisz, prawie zawsze jest inny sposób , niekoniecznie lepszy , ale zwykle masz opcje. Sztuką jest ich znalezienie.

Wcale nie jest dla mnie oczywiste, że szum „kilka” nV / sqrt Hz zakłóca twój sygnał, ponieważ nie powiedziałeś nic o przepustowości. Jeśli przepustowość jest bardzo niska, może nie być problemu. Pamiętaj, że jest to szerokość pasma, a nie maksymalna częstotliwość.

Zauważ, że podany szum nV / sqrt Hz jest wyższy niż częstotliwość narożna 1 / f, a jeśli twoja częstotliwość jest niska, możesz mieć znaczący udział również z szumu 1 / f. Wzmacniacze przerywacza mają znacznie mniej szumów 1 / f, ale często cierpią z powodu stosunkowo wysokiego szumu białego.

Wzmacniacz blokujący, standardowy zestaw w wielu laboratoriach, ma bardzo niską przepustowość z powodu synchronicznej demodulacji. Modulując i demodulując, w niektórych okolicznościach możesz pracować w obszarze białego szumu wzmacniacza (stała nV / sqrt Hz), a nie na dolnym końcu.

Jeśli sygnał przekracza kilkadziesiąt Hz, a impedancja źródła jest niska, można uzyskać wzmocnienie, używając prostego transformatora podwyższającego na wejściu. Oczywiście powstanie hałas Johnsona-Nyquista związany z oporem uzwojenia. Transformator o stosunku zwojów 1: n zmniejsza impedancję o 1 / sqrt (n) i idealnie zmniejsza hałas o 1 / n.

Możliwe jest również zbudowanie arbitralnie wzmacniacza o niskim poziomie szumu poprzez połączenie równoległe wzmacniaczy o niskim poziomie szumu i zsumowanie wyjść. Impedancja wejściowa zmniejsza się o 1 / n, a nieskorelowany szum zmniejsza się o 1 / sqrt (n), więc 100 wzmacniaczy równolegle miałoby 1/100 impedancji wejściowej i (idealnie) 1/10 szumu.

Jeśli zdarzy się, że masz kriostat z ciekłym helem i niektóre DC SQUIDY , możesz uzyskać znacznie niższy poziom hałasu, ale budżet nie zapłaci nawet za pojedynczy kabel, nie mówiąc już o konfiguracji.

Ten obwód ma wzmocnienie 60 dB przy 1 kHz, rosnąc do 86 dB poniżej 50 Hz. Poziom hałasu <1nV / rtHz.

Rozważmy przedwzmacniacz NJFET, z nieodłącznym blokowaniem DC_, ponieważ przedwzmacniacz ma kompensację RIAA i wow / trzepotanie gramofonu powinno zostać odrzucone. Obwód ten ze strony internetowej diyAudio.com (forum na nim brzmi „Simplistic NJFET RIAA”), zapewnia wzmocnienie 60dB, przeznaczone do konwersji 250 mikroVoltów na 0,25 wolta. SNR dla 250microVolts, moc wyjściowa kasety MovingCoil, będzie imponująca; budowniczowie domów z tych obwodów (zbudowano dziesiątki) mówią o „muzyce przychodzi z absolutnej ciszy --- bez syku, szumu i szumu, nawet przy maksymalnym wzmocnieniu wzmacniacza mocy”.

Biorąc pod uwagę całkowity brak PowerSupplyRejection (zwróć uwagę, że zestaw wzmocnienia R1 i zestaw wzmocnienia R10 są powiązane z szyną 45 woltów, aczkolwiek z C5 i C6 dla 2. etapu wzmocnienia i bufora wyjściowego) dla pierwszego etapu wzmocnienia (podwójne NJFETS z kaskadą bipolarną Q3 w celu wyeliminowania Millera efekt), musisz użyć odpowiedniego regulatora SHUNT:

Twórca obwodów „salas” jest również jednym z moderatorów dla DIYAudio i prawdopodobnie będzie rozbawiony, jeśli wpadniesz i poprosisz o użycie obwodów do czujników innych niż MovingCoils. 2SK170 ma gęstość hałasu znacznie poniżej 1nanoVolt / rtHz; niektóre osoby używają 2 równolegle; niektórzy ludzie idą na 4 równolegle, być może z kilkoma omami w źródłach FET, aby zachęcić do bardziej równego dzielenia się prądem, nawet jeśli znaczna część tego forum omawia pomiar NJFET i sortowanie do poziomu 1% dopasowania (1/10 mA z 10 lub 15 mA).

Eksperymentatorzy piszą, że są zadowoleni z MovingCoils w zakresie od 2 omów do 10 omów; 6-omowe czujniki MC miałyby wartość 1nV / sqrt (10) lub 0,316nV / rtHz. Do korzystania z takich czujników o niskim poziomie hałasu wymagana jest znaczna infrastruktura; oto jeden taki fizyczny przykład:

Zwróć uwagę na transformator mocy 50 Hz (większość konstruktorów znajduje się w Europie), a prostowniki i pierwsze filtrowanie CLC to ZDALNE BOX, z długimi na metr kablami doprowadzającymi 55 woltów do skrzynki kanału LeftRight na pierwszym planie, z regulatorem bocznika po skrajnej lewej stronie / prawo i rzeczywista RIAA (zwróć uwagę na ogromne czarne kondensatory filmowe, dla minimalnej kolorystyki muzycznej z kompresji dielektrycznej) Przedwzmacniacze pośrodku. Zwróć uwagę na ciężkie aluminiowe skrzynki. Dno stanowi również element pochłaniający ciepło dla regulatorów bocznikowych. To może być ałun lub stal? Nie wiem

edytuj Twoim celem jest dokładny pomiar 1 nanoVolt. Z bardzo niskiego Zsource. Będziesz musiał poprowadzić kilka przewodów od „bocznika czujnika” do przedwzmacniacza. Te druty są ścieżkami kandydującymi do wszelkiego rodzaju śmieci. Każdy kawałek energii 60 Hz, energii 120 Hz, dla liczników w pobliżu, zbada te przewody pod kątem użytecznej przewodności. A te czarne cegły, przełączające reg, także potrzebują ścieżek zwrotnych.

Sprawdź izolację gramofonu i wkładki. Ekranowanie, zastosowanie 5. drutu (oprócz 4 przewodów z czujników kanałów LeftRight). Musisz zminimalizować wykorzystanie tych drutów 4 + 1 do uzyskania energii z zewnątrz. Odległość może być twoim jedynym przyjacielem. Ale jest nadzieja. Oto zdjęcie transformatora mocy „tor wyścigowy”, cenionej metody najlepszej izolacji Efield między 117VAC / 220VAC a rektyfikowanym surowym prądem stałym (przed wejściem do ShuntReg):

Zwróć uwagę, że pierwotna i wtórna występują na osobnych cewkach, co minimalizuje pojemnościowe sprzężenie śmieci linii elektroenergetycznej z przedwzmacniaczem, które to śmieci wymagają następnie powrotu z powrotem do ziemi na zewnątrz budynku, przy czym przewody do czujnika są częścią badane ścieżki.

Na wysokich częstotliwościach użyj transformatora (cewek powietrznych), aby zwalczyć problem niskiego napięcia. Jako wzmacniacze używają triod, mają niski poziom szumów. Użyj metalowej folii lub rezystorów drutowych i staraj się utrzymać je w niskiej temperaturze.

Jeśli sygnał to prąd przemienny i wąskopasmowy, to dlaczego nie zastosować dostrojonego transformatora, aby doprowadzić napięcie do rozsądnego poziomu, w którym będą działać normalne techniki?

Transformator ma niski DCR, a zatem niski poziom hałasu termicznego. Jeśli jest dobrze osłonięty, będzie to bardzo korzystne.

Oto konstrukcja OpAmp, wykorzystująca OpAmps o gęstości szumów 1 nanoVolt, w Avcl = 60dB i 100dB; stopień 1 jest sprzężony z prądem stałym, aby uniknąć dużych kondensatorów (podatnych na zakłócenia Efield); stopień 2 jest blokowany prądem stałym w sieci z ustawionym wzmocnieniem; dla zabawy włączyłem 10 miliwoltów zakłóceń PowerSupply do każdego OpAmp. Wynik? SNR wynosi -70dB. Vout to 29milliVolts; hałas termiczny wynosi 1 wolt; Hałas zasilacza wynosi 93 wolty. [Bez tętnienia zasilania, SNR wynosi -31,5 dB]

I właśnie dlatego śmieci PowerSupply przechodzą tak mocno: PSRR OpAmp ma tylko 80 dB (wartości domyślne), a LsRsC na OpAmp VDD nie mają wpływu na tętnienie 60/120 (Caps muszą być znacznie większe, a seria Rs na co najmniej 10 razy większy).

Teraz dodaj zaletę Lockon Amplifer: modelowaną jako pasmo 25 Hz, z Q = 100. SNR poprawia się (z wejściem 1nanoVoltPP) z -30dB do -5dB. Uwaga: w prawym górnym rogu kliknąłem „Gargulce” i „PSI”. Zauważ też, pod oknami SNR / ENOB, ustawiłem wartość FOI FrequencyOfInterest na dokładnie 25Hz, konieczne ze względu na filtr highQ. Użyłem stopnia LRC z filtrem LowPass, więc mogłem umieścić rezonans LC dokładnie na 25,00 Hz, korzystając z arkusza roboczego; przy Q = 100 jest to konieczne.

Oto wykres szumu, obejmujący od 24 do 26 Hz. Zwróć uwagę na wiele źródeł hałasu wymienionych po prawej stronie, ale ważne są tylko szumy wzmacniacza i Rg. Rg to 10,01 Ohm do ziemi, ustalając wzmocnienie 60dB tego buforowanego wzmacniacza wzmocnienia. Ponownie, Rnoise pierwszego opampa wynosi 62_ omy, czyli 1,0nv / rtHz.