Bir nV sinyalini küçük bir direnç üzerinden yükseltme

Küçük bir direnç boyunca bir nV seviyesi (veya başka türlü çok küçük olduğu varsayılır) sinyalini yükseltmek / ölçmekle ilgileniyorum.

Bu sinyalin SNR'si, direncin küçük değeri nedeniyle çok küçük termal gürültü nedeniyle kendi başına çok kötü değildir. Temel kaygım, ticari olarak temin edilebilen düşük gürültülü amplifikatörlerin kaçınılmaz olarak kare kök hertz başına birkaç nV seviyesinde giriş gürültüsü eklediği ve sinyali açıkça değiştirdiği görülüyor.

Başka seçeneğim var mı? Küçük direnç nedeniyle, kısmen gürültüye neden olabilecek bu kadar yüksek giriş direncine sahip bir amplifikatöre ihtiyacım olmayabileceğini düşünüyordum? Emin değilim.

İlgilenilen spektrum önemlidir: aksi takdirde çok iyi amplifikatör cihazlarının bazıları 10Hz'in altındaki frekanslarda ekstra yüksek gürültüye sahiptir.

İki seçenek göz önünde bulundurulmaya değer: birincisi, bir opamp ikinci aşamadan önce faydalı kazanç sağlamak için bipolar transistörler.

Neden doğrudan bir opamp'a gitmiyorsun? Oldukça gürültülüdür, çok azı 1 nV / rtHz'nin altında giriş gürültü voltajına sahiptir ve bundan daha iyisini yapmak istersiniz.

PNP transistörleri, düşük taban yayılma dirençleri sayesinde tercih edilir. Birkaç yıl önce iyi bir üne sahip bir örnek, burada bulunan 2SC2547, veri sayfasıydı ...

2dB ve 4dB konturlarını yararlı bir şekilde çizen, ancak en yararlı 3dB'yi çizmeyen sayfa 6'daki sabit gürültü şekline baktığınızda, aralarında enterpolasyon yapmanız gerekir. Ancak 1 kHz grafiği, 10 ila 20 ohm arasında kaynak direncine sahip 3dB gürültü rakamıyla Ic = 10mA'da minimum gürültü gösterir - buna 15 ohm deyin.

Bu, Ic = 10mA'daki bu transistörün 15 ohm'luk bir direnç kadar gürültülü olabileceği anlamına gelir - 1 kHz'de veya üstünde. 120Hz ve 10Hz için not eğrileri, daha düşük frekanslar önemliyse farklı bir çalışma noktası seçmenizi sağlar.

Johnson gürültüsü (Wiki'den) şu şekilde hesaplanabilir:

0.13 * sqrt (R) nV / rtHz.

Bu nedenle, 0.9nV nV / rtHz 48 ohm'luk bir direncin gürültüsü olurken, bu transistör (veya 15 ohm'luk bir direnç) 0.5 nV / rtHz verir.

Mikrofon amplifikatör giriş aşamalarında, tipik bir mikrofon amplifikatörü giriş konfigürasyonunda (uzun kuyruklu çift, her iki yayıcıyı besleyen akım kaynağı, her kollektörde 470R veya 1K {bir opamp besleme) kullandım ve kalayda söylediklerini yapıyor.

Mütevazi BC214 veya daha yeni gibi daha az egzotik PNP transistörleri de makul derecede iyi olabilir.

İkinci seçenek, eğer ilgi spektrumu DC içermiyorsa, kaynak empedansınızı seçtiğiniz amplifikatörün gürültü empedansıyla eşleştirmek için bir kademeli transformatördür.

Örneğin, 3.5nV / rtHz ile NE5534A veya 700 ohm gürültü empedansı seçerseniz ve kaynak empedansınız 1 ohm ise, 1: 700 empedans dönüşüm oranına veya voltaj dönüşüm oranına (dönüş oranı) ihtiyacınız vardır. 1:26 (sqrt (700).

Transformatörün birincil direnci elbette bir gürültü kaynağıdır: direnci (ve dolayısıyla gürültüyü) düşük tutmak için nispeten az dönüş ve büyük çaplı tel olmalıdır. Sekonder direnç de önemlidir, ancak gürültüsü yükseltilmiş ikincil voltajın üstüne eklenir.

Gürültü empedans uyumu seçtiğiniz amplifikatörden en iyi performansı almanızı sağlar.

FET giriş amplifikatörleri dirençlerle aynı gürültü kaynaklarından muzdarip değildir, bu yüzden tera ohm aralığında giriş dirençleri ile hala <100nVpp gürültüye sahip olabilirler .

Analog cihazlar, <100nVpp giriş gürültüsüne sahip bir "32" bit ADC w / preamp yapar, gürültü tabanını iyileştirmeye çalışmak için birçok örneği ortalaması alabilirsiniz (bir saat için 5sps size birkaç "gürültüsüz" veri vermelidir ).

Genel opamp'lara gelince, AD8000 opamp 0.1 ila 10Hz arasında sadece ~ 20nVpp gürültüye sahiptir, bu kök-Hz değil, tepeden tepeye gürültüdür.

Görünüşte süper iletken olmayan pikovoltmetreler üreten bir İngiliz şirketi var ! Yararlı bir şeyleri olabilir.

Aksi takdirde, birinin kilitleme amplifikatörünü ödünç alıp alamayacağınıza bakın. Ancak bunlardan birini kullanmak kalbin aldatmacası için DEĞİLDİR .

Unutmayın, ne yaptığınız önemli değil, neredeyse her zaman başka bir yol var , mutlaka daha iyi bir yol değil, ancak genellikle seçenekleriniz var. Hile onları buluyor.

'Birkaç' nV / sqrt Hz gürültünün, bant genişliği hakkında hiçbir şey söylemediğiniz için sinyalinizi değiştirdiği hiç de net değil. Bant genişliğiniz çok düşükse, bir sorun olmayabilir. Maksimum frekans değil bant genişliği olduğuna dikkat edin .

Belirtilen nV / sqrt Hz gürültünün 1 / f köşe frekansının üzerinde olduğunu ve frekansınız düşükse, 1 / f gürültüsünden de önemli bir katkı sağlayabileceğinizi unutmayın. Kıyıcı amplifikatörler çok daha az 1 / f gürültüye sahiptir, ancak genellikle nispeten yüksek beyaz gürültüye sahiptir.

Kilitli bir amplifikatör, birçok laboratuvarda standart bir kit parçası, senkron demodülasyonu nedeniyle çok düşük bir bant genişliğine sahiptir. Modüle ederek ve demodüle ederek, bazı durumlarda, amplifikatörünüzün beyaz gürültü bölgesinde (sabit nV / sqrt Hz) alt uçtan ziyade çalışabilirsiniz.

Sinyal onlarca Hz'nin üzerindeyse ve kaynak empedansı düşükse, girişte basit bir yükseltici transformatör kullanarak bir destek alabilirsiniz. Elbette, sargı direncinden bir Johnson-Nyquist gürültü katkısı olacaktır. 1: n dönüş oranına sahip transformatör, empedansı 1 / sqrt (n) azaltır ve gürültüyü ideal olarak 1 / n azaltır.

Ayrıca, sadece 'n' düşük gürültülü amplifikatörlere paralel olarak ve çıkışları toplayarak rastgele düşük gürültülü bir amplifikatör oluşturmak da mümkündür. Giriş empedansı 1 / n ile azalır ve ilişkisiz gürültü 1 / sqrt (n) ile azalır, bu nedenle paralel 100 amplifikatör giriş empedansının 1 / 100'üne ve (ideal olarak) gürültünün 1 / 10'una sahip olacaktır.

Sıvı bir helyum kriyostatınız ve bazı DC SQUID'leriniz varsa, çok daha düşük gürültü seviyeleri elde edebilirsiniz, ancak bütçeniz kurulumdan bağımsız olarak tek bir kablo için bile ödeme yapmaz.

Bu devrenin 1KHz'de 60dB kazanımı vardır ve 50Hz'in altında 86dB'ye yükselir. Gürültü Tabanı <1nV / rtHz.

DC_blocking'in doğasında olduğu bir NJFET ön amplifikatörü düşünün, çünkü ön amplifikatör RIAA dengelemelidir ve döner tabla wow / flutter reddedilmelidir. Bu devre, diyAudio.com web sitesinden (buradaki forum "Simplistic NJFET RIAA"), 250 mikroVolt'u 0,25 volta dönüştürmesi amaçlanan 60dB kazanç sağlar. Bir MovingCoil kartuşunun çıkışı olan 250microVolts için SNR etkileyici olacaktır; Bu devrelerin ev yapımcıları (düzinelerce inşa edildi) "müzik size mutlak sessizlikten geliyor --- Güç Amplifikatörü kazancı maksimum seviyeye çıkmış olsa bile tıslama veya uğultu veya vızıltı yok."

Toplam PowerSupplyRejection eksikliği göz önüne alındığında (R1 kazanç setinin ve R10 kazanç setinin, 2. kazanç aşaması ve çıkış tamponu için C5 ve C6 ile de olsa 45Volt rayına bağlı olduğunu unutmayın), Miller'i ortadan kaldırmak için Q3 bipolar kaskadlı çift NJFETS ), uygun SHUNT regülatörünü kullanmanız gerekir:

"Salas" devrelerinin geliştiricisi de diyAudio'nun moderatörlerinden biridir ve MovingCoils dışındaki sensörler için devreleri bırakıp kullanmanız istenirse muhtemelen eğlendirilecektir. 2SK170, 1nanoVolt / rtHz altında gürültü yoğunluğuna sahiptir; bazı insanlar paralel olarak 2 kullanır; bazı insanlar paralel olarak 4'e gidiyor, belki de FET kaynaklarında birkaç ohm ile daha eşit akım paylaşımını teşvik etmek için, bu forumun geniş bir kısmı NJFET ölçümünü ve% 1 eşleştirme seviyesine (1/10ma 10 veya 15mA).

Deneyciler 2 ohm ila 10 ohm aralığında MovingCoils'den memnun olduklarını yazarlar; 6 Ohm MC sensörü 1nV / sqrt (10) veya 0.316nV / rtHz olacaktır. Bu tür düşük gürültü sensörlerini kullanmak için önemli bir altyapı gereklidir; İşte böyle bir fiziksel örnek:

50Hz güç transformatörüne (inşaatçıların çoğu Avrupa'da) ve redresörlere ve ilk CLC filtrelemesine bir REMOTE KUTUSU not edin, metre uzunluğundaki kablolar 55 volt'u ön taraftaki SolRight kanal kutusuna getirir ve en solda Şönt Regülatörü / sağ ve gerçek RIAA (dielektrik sıkıştırmadan minimum müzikal renklendirme için büyük siyah film kapasitörlerine dikkat edin) Ortada preamplar. Ağır alüminyum kutulara dikkat edin. Taban aynı zamanda Şant Regülatörleri için ısı alıcıdır. Bu şap veya çelik olabilir mi? Bilmiyorum.

düzenlemek Amacınız 1 nanoVolt doğru ölçüm olduğunu. Çok düşük bir Zsource'dan. "Sensör şöntünden" PreAmplifier'a bazı kablolar döşemeniz gerekir. Bu teller her türlü çöp için aday yollardır. Her metre için 60Hz enerji, 120Hz enerji her bit, yararlı iletkenlik için bu kabloları keşfedecek. Ve bu siyah tuğlalar, değişen reglar da geri dönüş yollarına ihtiyaç duyuyor.

Bir pikap ve kartuşun izolasyonunu inceleyin. Ekranlama, 5. telin kullanımı (LeftRight kanal sensörlerinden 4 kabloya ek olarak). Bu 4 + 1 kabloların yabancı enerji için kullanımını en aza indirmeniz gerekir. Uzaklık senin tek arkadaşın olabilir. Yine de umut var. İşte 117VAC / 220VAC ve rektifiye ham DC (ShuntReg'e girmeden önce) arasındaki en iyi Efield izolasyonu için ödüllü yöntem olan "yarış pisti" güç transformatörünün fotoğrafı:

Birincil ve ikincil ayrı ayrı bobin formları üzerinde, güç hattı çöpünün Preamp'a kapasitif bağlanmasını en aza indirdiğini, bu çöpün daha sonra binanın dışındaki toprak zemine geri dönüş yolunu talep ettiğini ve sensörün kablolarının yolları keşfetti.

Yüksek frekansta, bu düşük voltaj problemiyle savaşmak için transformatör (hava çekirdek bobinleri) kullanın. Amplifikatörler olarak triyot kullanın, düşük gürültüye sahiptirler. Metal folyo veya tel sargılı dirençler kullanın ve düşük sıcaklıkta tutmaya çalışın.

Sinyal AC ve dar bant ise, normal tekniklerin çalışacağı voltajı makul bir seviyeye çıkarmak için neden ayarlanmış bir transformatör kullanmıyorsunuz?

Transformatör düşük DCR'ye ve dolayısıyla düşük termal gürültüye sahiptir. Eğer iyi korunmuşsa, büyük fayda sağlayacaktır.

Avcl = 60dB ve 100dB'de 1 nanoVolt gürültü yoğunluğu OpAmp kullanan bir OpAmp tasarımı; aşama 1, büyük kapasitörlerden (Efield girişimine karşı savunmasız) kaçınmak için DC'ye bağlıdır; aşama 2, kazanım kümesi ağında DC tarafından engellenir; eğlence için her OpAmp'a 10 milivolt PowerSupply paraziti ekledim. Sonuç? SNR -70dB'dir. Vout 29milliVolts; termal gürültü 1 volt; güç kaynağı gürültüsü 93 volttur. [Güç kaynağı dalgalanması olmadan, SNR -31,5 dB'dir]

İşte bu yüzden PowerSupply çöp kutusunun bu kadar güçlü bir şekilde ortaya çıkması: OpAmp PSRR sadece 80dB'dir (varsayılan değerler) VE OpAmp VDD üzerindeki LsRsC'lerin 60/120 dalgalanma üzerinde hiçbir etkisi yoktur (Caps'in çok daha büyük olması gerekir ve R serisi en az 10 kat daha büyük).

Şimdi Q = 100 ile 25Hertz bant geçişi olarak modellenen bir Lockon Amplifer'in avantajını ekleyin. SNR (1nanoVoltPP girişi ile) -30dB'den -5dB'ye yükselir. Sağ üstte "Gargoyles" ve "PSI" yı tıkladığımı unutmayın. Ayrıca, SNR / ENOB pencerelerinin altında, FOQ FrequencyOfInterest değerini highQ filtresi nedeniyle gerekli olan tam olarak 25Hz olarak ayarladım. Ve LowPass Filter LRC aşamasını kullandım, bu yüzden LC rezonansını çalışma sayfasını kullanarak tam olarak 25.00Hz'ye yerleştirebilirim; Q = 100 değerinde bu gereklidir.

İşte 24 ila 26Hz'yi kapsayan gürültü grafiği. Sağ tarafta listelenen birçok gürültü kaynağına dikkat edin, ancak sadece Amplifikatör Gürültüsü ve Rg önemlidir. Rg, 10.01 Ohm toprağa, o Tamponlu Kazanç Takipçisinin 60dB kazancını ayarlar. Yine, ilk opampın Rnoise'i 62_ohms veya 1.0nv / rtHz'dir.