Memperkuat sinyal nV melintasi resistansi kecil

Saya tertarik pada kelayakan memperkuat / mengukur level nV (atau diasumsikan sangat kecil) sinyal melintasi resistansi kecil.

SNR dari sinyal ini tidak terlalu buruk karena noise termal yang sangat kecil, karena nilai resistansi yang kecil. Perhatian utama saya adalah bahwa amplifier low-noise yang tersedia secara komersial tampaknya mau tidak mau menambahkan noise input pada tingkat beberapa nV per hertz root square, jelas swamping sinyal.

Apakah saya punya opsi lain? Saya berpikir bahwa karena resistansi yang kecil, saya mungkin tidak memerlukan amplifier dengan resistansi input yang tinggi, yang sebagian mungkin menyebabkan kebisingan? Saya tidak yakin.

Spektrum yang menarik penting: beberapa perangkat penguat yang sangat baik memiliki noise ekstra tinggi pada frekuensi di bawah 10Hz.

Dua opsi patut dipertimbangkan: yang pertama adalah transistor bipolar untuk memberikan keuntungan yang berguna sebelum opamp tahap kedua.

Kenapa tidak langsung ke opamp? Mereka sangat berisik, sangat sedikit yang memiliki voltase kebisingan input di bawah 1 nV / rtHz, dan Anda ingin melakukan yang lebih baik dari itu.

Transistor PNP lebih disukai, berkat hambatan penyebaran dasar yang lebih rendah. Salah satu contoh dengan reputasi baik beberapa tahun yang lalu adalah 2SC2547, datasheet masih tersedia di sini ...

Melihat kontur figur noise konstan pada halaman 6, yang membantu memplot kontur 2dB dan 4dB, tetapi bukan 3dB yang paling berguna, jadi Anda harus menyisipkan di antara mereka. Tetapi plot 1 kHz menunjukkan kebisingan minimum pada Ic = 10mA, dengan derau 3dB dengan resistansi sumber antara 10 dan 20 ohm - sebut saja 15 ohm.

Itu menyiratkan bahwa transistor ini, pada Ic = 10mA, dapat berisik seperti resistor 15 ohm - pada atau di atas 1 kHz. Kurva catatan untuk 120Hz dan 10Hz memungkinkan Anda untuk memilih titik kerja yang berbeda jika frekuensi yang lebih rendah penting.

Suara Johnson (dari Wiki) dapat dihitung sebagai

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

Jadi, 0.9nV nV / rtHz akan menjadi noise dari resistor 48 ohm, sementara transistor ini (atau resistor 15 ohm) akan menghasilkan 0,5 nV / rtHz.

Saya telah menggunakannya dalam tahap input penguat mikrofon, dalam konfigurasi input ampli mik biasa (pasangan berekor panjang, sumber arus memberi makan kedua emitor, 470R atau 1K di setiap kolektor {makan opamp, dan ia melakukan apa yang tertulis di kaleng.

Transistor PNP yang kurang eksotis seperti BC214 yang rendah hati atau yang lebih baru mungkin juga cukup baik.

Opsi kedua, jika spektrum yang menarik tidak termasuk DC, adalah transformator step-up untuk mencocokkan impedansi sumber Anda dengan impedansi noise penguat pilihan Anda.

Misalnya jika Anda memilih NE5534A dengan 3.5nV / rtHz, atau impedansi noise 700 ohm, dan impedansi sumber Anda adalah 1 ohm, Anda memerlukan rasio transformasi impedansi 1: 700, atau rasio transformasi tegangan (rasio giliran) dari 1:26 (sqrt (700).

Tahanan utama transformator adalah sumber derau tentu saja: itu harus relatif sedikit belokan, dan kawat berdiameter besar, untuk menjaga resistansi (dan karenanya derau) turun. Perlawanan sekunder juga penting, meskipun kebisingannya ditambahkan di atas tegangan sekunder yang ditingkatkan.

Pencocokan impedansi suara memungkinkan Anda untuk mendapatkan kinerja terbaik dari amplifier apa pun yang Anda pilih.

FET input amp tidak menderita dari sumber kebisingan yang sama seperti resistor, yang bagaimana mereka masih dapat memiliki <100nVpp noise dengan resistansi input dalam kisaran tera ohm.

Perangkat analog menghasilkan "32" bit ADC dengan preamp dengan noise input <100nVpp, Anda dapat rata-rata banyak sampel untuk mencoba meningkatkan lantai kebisingan (5sps selama satu jam akan memberi Anda beberapa bit tambahan data "bebas noise") ).

Sedangkan untuk opamps umum, opamp AD8000 hanya memiliki ~ 20nVpp noise antara 0,1 - 10Hz, itulah noise peak-to-peak , bukan root-Hz.

Ada perusahaan Inggris yang membuat picovoltmeters yang tampaknya non-superkonduktor ! Mereka mungkin memiliki sesuatu yang bermanfaat.

Jika tidak, lihat apakah Anda dapat meminjam pengunci penguncian seseorang. Tetapi menggunakan salah satu dari ini BUKAN untuk tipuan hati.

Ingat, tidak masalah apa yang Anda lakukan, hampir selalu ada cara lain , belum tentu cara yang lebih baik , tetapi Anda biasanya memiliki opsi. Kuncinya adalah menemukan mereka.

Sama sekali tidak jelas bagi saya bahwa 'beberapa' nV / sqrt Hz noise membanjiri sinyal Anda karena Anda tidak mengatakan apa-apa tentang bandwidth. Jika bandwidth Anda sangat rendah maka mungkin tidak ada masalah. Perhatikan bahwa bandwidth bukan frekuensi maksimum.

Perhatikan bahwa noise nV / sqrt Hz yang dikutip di atas frekuensi sudut 1 / f dan jika frekuensi Anda rendah maka Anda mungkin memiliki kontribusi yang signifikan dari noise 1 / f juga. Amplifier Chopper memiliki noise 1 / f lebih sedikit tetapi sering menderita noise putih yang relatif tinggi.

Penguat penguncian, kit standar di banyak laboratorium, secara efektif memiliki bandwidth yang sangat rendah karena demodulasi yang sinkron. Dengan memodulasi dan mendemodulasi, dalam beberapa keadaan, Anda dapat beroperasi di daerah derau white amplifier Anda (konstanta nV / sqrt Hz) daripada di ujung bawah.

Jika sinyalnya di atas beberapa Hz, dan impedansi sumber rendah, Anda bisa mendapatkan dorongan dengan menggunakan transformator step-up sederhana di input. Akan ada kontribusi kebisingan Johnson-Nyquist dari hambatan berliku, tentu saja. Transformator dengan rasio putaran 1: n mengurangi impedansi sebesar 1 / sqrt (n) dan mengurangi noise sebesar 1 / n, idealnya.

Mungkin juga untuk membangun penguat derau rendah semaunya hanya dengan menyejajarkan 'n' penguat derau rendah dan menjumlahkan output. Impedansi input berkurang dengan 1 / n dan noise tidak berkorelasi berkurang dengan 1 / sqrt (n), sehingga 100 amplifier secara paralel akan memiliki 1/100 impedansi input dan (idealnya) 1/10 noise.

Jika Anda memiliki cryostat cryium cair dan beberapa SQUID DC yang tersedia, Anda bisa mendapatkan tingkat kebisingan yang jauh lebih rendah tetapi anggaran Anda tidak akan membayar bahkan untuk satu kabel apalagi pemasangan.

Sirkuit ini memiliki gain 60dB pada 1KHz, naik menjadi 86dB di bawah 50Hz. Lantai Kebisingan <1nV / rtHz.

Pertimbangkan preamplifier NJFET, dengan DC_blocking yang melekat karena preamp dikompensasi dengan RIAA dan turntable wow / flutter harus ditolak. Sirkuit ini, dari situs web diyAudio.com (forum di dalamnya adalah "Simplistic NJFET RIAA"), memberikan keuntungan 60dB, yang dimaksudkan untuk mengubah 250 microVolt menjadi 0,25 volt. SNR untuk 250microVolts, output dari kartrid MovingCoil, akan mengesankan; pembangun rumah dari sirkuit ini (lusinan telah dibangun) berbicara tentang "musik datang kepada Anda keluar dari benar-benar tenang --- tidak ada desisan atau dengungan atau gebrakan, bahkan dengan gain Power Amplifier diputar maksimal."

Mengingat kekurangan total PowerSupplyRejection (perhatikan set gain R1 dan set gain R10 terkait dengan rel 45volt, meskipun dengan C5 dan C6 untuk tahap penguatan ke-2 dan buffer output) untuk tahap penguatan pertama (dual NJFETS dengan kaskade bipolar Q3 untuk menghilangkan Miller efek), Anda harus menggunakan regulator SHUNT yang sesuai:

Pengembang sirkuit "salas" juga merupakan salah satu moderator untuk diyAudio, dan mungkin akan terhibur jika Anda mampir dan bertanya tentang penggunaan sirkuit untuk sensor selain MovingCoils. 2SK170 memiliki kerapatan kebisingan di bawah 1nanoVolt / rtHz; beberapa orang menggunakan 2 secara paralel; beberapa orang menggunakan 4 secara paralel, mungkin dengan beberapa ohm di sumber FET untuk mendorong pembagian saat ini yang lebih setara, meskipun sebagian besar dari forum itu membahas pengukuran NJFET dan menyortir ke tingkat pencocokan 1% (1 / 10ma dari 10 atau 15mA).

Eksperimen menulis senang dengan MovingCoils dalam rentang 2 ohm hingga 10 ohm; sensor 6 Ohm MC adalah 1nV / sqrt (10) atau 0,316nV / rtHz. Infrastruktur besar diperlukan untuk menggunakan sensor kebisingan rendah; berikut adalah contoh fisiknya:

Perhatikan transformator daya 50Hz (sebagian besar pembangun berada di Eropa) dan penyearah dan penyaringan CLC pertama adalah BOOT REMOTE, dengan kabel meter panjang membawa 55 volt ke kotak saluran LeftRight di latar depan, dengan Shunt Regulator di ujung kiri. / kanan dan RIAA yang sebenarnya (perhatikan kapasitor film hitam besar, untuk pewarnaan musik minimal dari kompresi dielektrik) Preamp di tengah. Perhatikan kotak aluminium yang berat. Bagian bawah juga merupakan pendingin untuk Regulator Shunt. Itu mungkin tawas atau baja? Saya tidak tahu

sunting Tujuan Anda adalah pengukuran akurat 1 nanoVolt. Dari Zsource yang sangat rendah. Anda harus menjalankan beberapa kabel dari "sensor shunt" ke PreAmplifier. Kabel itu adalah jalur kandidat untuk semua jenis sampah. Setiap bit energi 60Hz, energi 120Hz, sekitar beberapa meter, akan menjelajahi kabel itu untuk konduktivitas yang berguna. Dan bata hitam itu, mengganti regs, juga membutuhkan jalur pengembalian.

Periksa isolasi meja putar dan kartrid. Perisai, penggunaan kabel ke-5 (selain 4 kabel dari sensor saluran LeftRight). Anda perlu meminimalkan penggunaan kabel 4 +1 tersebut untuk energi yang tidak tersedia. Jarak mungkin satu-satunya teman Anda. Namun ada harapan. Berikut adalah foto transformator daya "trek balap", metode berharga untuk isolasi Efield terbaik antara 117VAC / 220VAC dan DC mentah yang diperbaiki (sebelum memasuki ShuntReg):

Perhatikan bahwa primer dan sekunder berada pada bentuk kumparan yang terpisah, meminimalkan kopling kapasitif dari sampah saluran listrik ke dalam Preamp, tempat sampah tersebut kemudian menuntut jalur balik kembali ke tanah di luar gedung, dengan kabel ke sensor menjadi bagian dari jalan dijelajahi.

Pada frekuensi tinggi, gunakan transformator (kumparan inti udara) untuk melawan masalah tegangan rendah itu. Sebagai amplifier, gunakan triode, mereka memiliki noise rendah. Gunakan foil logam atau resistor luka kawat, dan cobalah untuk mempertahankannya pada suhu rendah.

Jika sinyal AC dan narrowband maka mengapa tidak menggunakan trafo yang disetel untuk mendapatkan tegangan ke tingkat yang wajar di mana teknik normal akan bekerja?

Trafo memiliki DCR rendah dan karenanya noise termal rendah. Jika terlindung dengan baik, itu akan sangat bermanfaat.

Berikut ini adalah desain OpAmp, menggunakan OpAmps kepadatan kebisingan 1 nanoVolt, dalam Avcl = 60dB dan 100dB; tahap 1 digabungkan DC, untuk menghindari kapasitor besar (rentan terhadap gangguan Efield); tahap 2 diblokir-DC dalam jaringan gain-set; untuk bersenang-senang, saya telah memasukkan 10 milivolt gangguan PowerSupply di setiap OpAmp. Hasil? SNR -70dB. Vout adalah 29milliVolts; kebisingan termal adalah 1 volt; kebisingan catu daya adalah 93 volt. [Tanpa riak catu daya, SNR adalah -31,5 dB]

Dan inilah mengapa sampah PowerSupply datang dengan sangat kuat: PSRR OpAmp hanya 80dB (nilai default) DAN LsRsCs pada OpAmp VDD tidak berdampak pada 60/120 riak (Caps harus jauh lebih besar, dan seri Rs pada setidaknya 10X lebih besar).

Sekarang tambahkan manfaat dari Lockon Amplifer: dimodelkan sebagai bandpass 25Hertz, dengan Q = 100. SNR membaik (dengan input 1nanoVoltPP) dari -30dB ke -5dB. Catatan, di kanan atas, saya mengklik "Gargoyles" dan "PSI". Perhatikan juga, di bawah SNR / ENOB windows, saya menetapkan nilai FOI FrequencyOfInterest tepat 25Hz, diperlukan karena filter highQ. Dan saya menggunakan tahap LowRass Filter LRC, jadi saya bisa menempatkan resonansi LC tepat pada 25.00Hz, menggunakan lembar kerja; pada Q = 100 ini perlu.

Berikut adalah plot noise, yang mencakup 24 hingga 26Hz. Perhatikan banyak sumber kebisingan yang terdaftar di sebelah kanan, tetapi hanya Penguat Suara dan Rg yang penting. Rg adalah 10,01 Ohm ke ground, mengatur gain 60dB dari Buffered Gain Follower itu. Sekali lagi, Rnoise dari opamp pertama adalah 62_ohms, atau 1.0nv / rtHz.