작은 저항에서 nV 신호 증폭

나는 작은 저항에 걸쳐 nV 레벨 (또는 매우 작은 것으로 가정) 신호를 증폭 / 측정하는 타당성에 관심이 있습니다.

이 신호의 SNR은 저항 값이 작기 때문에 열 잡음이 매우 작기 때문에 나쁘지 않습니다. 저의 주요 관심사는 상업적으로 이용 가능한 저잡음 증폭기가 필연적으로 제곱근 헤르츠 당 몇 nV의 레벨에서 입력 노이즈를 추가하여 신호를 휩쓸리는 것 같습니다.

다른 옵션이 있습니까? 작은 저항으로 인해 입력 저항이 높은 앰프가 필요하지 않을 수 있다고 생각했습니다. 잘 모르겠습니다.

관심있는 스펙트럼이 중요합니다. 그렇지 않으면 매우 우수한 증폭 장치는 10Hz 미만의 주파수에서 매우 높은 노이즈를 갖습니다.

두 가지 옵션을 고려해야합니다. 첫 번째는 opamp 2 단계 전에 유용한 이득을 제공하는 바이폴라 트랜지스터입니다.

왜 opamp로 바로 가지 않습니까? 그들은 꽤 시끄러운되는 극소수 입력 노이즈 전압이 1 네바다 / rtHz이다 아래를, 그리고 당신은 더 나은보다하고 싶어.

더 낮은베이스 확산 저항으로 인해 PNP 트랜지스터가 바람직하다. 몇 년 전 평판이 좋은 한 예는 2SC2547인데, 여기에서 여전히 사용 가능한 데이터 시트는 ...

6 페이지의 일정한 잡음 지수의 윤곽을 보면 2dB 및 4dB 윤곽을 유용하게 표시하지만 가장 유용한 3dB는 표시하지 않으므로 그 사이에 보간해야합니다. 그러나 1kHz 플롯은 Ic = 10mA에서 최소 잡음을 보여 주며, 10 ~ 20ohm 사이의 소스 저항을 갖는 3dB 잡음 지수 (15Ω이라고 함)입니다.

이는 Ic = 10mA에서이 트랜지스터가 1kHz 이상에서 15 옴 저항만큼 잡음이 클 수 있음을 의미합니다. 120Hz 및 10Hz의 음표 곡선을 사용하면 더 낮은 주파수가 중요한 경우 다른 작업 지점을 선택할 수 있습니다.

Johnson 노이즈 (위키) 는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

0.13 * sqrt (R) nV / rtHz.

따라서 0.9nV nV / rtHz는 48 옴 저항의 잡음이고이 트랜지스터 (또는 15 옴 저항)는 0.5nV / rtHz입니다.

나는 전형적인 마이크 앰프 입력 구성 (롱 테일 페어, 두 이미 터를 공급하는 전류 소스, 각 콜렉터에서 470R 또는 1K) (오피 앰프를 공급)에서 마이크 앰프 입력 단계에서 사용했으며 주석에서 말하는 것을 수행합니다.

겸손한 BC214와 같은 덜 이국적인 PNP 트랜지스터는 합리적으로 잘 할 수 있습니다.

관심있는 스펙트럼에 DC가 포함되지 않은 경우 두 번째 옵션은 소스 임피던스를 선택한 앰프의 노이즈 임피던스와 일치시키는 승압 변압기입니다.

예를 들어 3.5nV / rtHz 또는 잡음 임피던스 700ohm 인 NE5534A를 선택하고 소스 임피던스가 1 옴인 경우 임피던스 변환 비율 1 : 700 또는 전압 변환 비율 (턴 비율)이 필요합니다. 1:26 (sqrt (700).

트랜스포머의 1 차 저항은 물론 노이즈 소스입니다. 저항 (및 노이즈)을 낮추려면 상대적으로 적은 턴과 큰 직경의 와이어가 있어야합니다. 2 차 저항도 중요하지만, 2 차 전압의 2 차 전압 위에 노이즈가 추가됩니다.

노이즈 임피던스 매칭을 통해 원하는 앰프 중에서 최고의 성능을 얻을 수 있습니다.

FET 입력 앰프는 저항과 동일한 노이즈 소스를 겪지 않으며, 테라 옴 범위 의 입력 저항으로 100nVpp 미만의 노이즈를 유지할 수 있습니다 .

아날로그 장치는 <100nVpp의 입력 잡음으로 "32"비트 ADC w / 프리 앰프를 생성하므로 노이즈 플로어를 개선하기 위해 많은 샘플을 평균화 할 수 있습니다. ).

일반 opamp와 마찬가지로 AD8000 opamp는 0.1 ~ 10Hz 사이에서 ~ 20nVpp 잡음 만 가지고 있으며, 이는 루트 Hz가 아닌 피크 대 피크 잡음입니다.

초전도 피코 볼트 미터가 아닌 것처럼 보이는 영국 회사가 있습니다 ! 유용한 정보가있을 수 있습니다.

그렇지 않으면, 누군가의 로크 인 증폭기를 빌릴 수 있는지 확인하십시오. 그러나 이것들 중 하나를 사용하는 것은 마음을 아프게하는 것이 아닙니다 .

거의 항상 거기, 당신이 무슨 일을하는지 중요하지 않습니다 기억 하는 또 다른 방법 이 아니라 반드시 더 좋은 방법은,하지만 당신은 일반적으로 옵션이 있습니다. 트릭은 그들을 찾는 것입니다.

대역폭에 대해 아무 말도하지 않았기 때문에 '몇몇'nV / sqrt Hz 잡음이 신호를 휩쓰는 것은 전혀 분명하지 않습니다. 대역폭이 매우 낮 으면 문제가 없을 수 있습니다. 최대 주파수 가 아닌 대역폭 입니다.

인용 된 nV / sqrt Hz 잡음은 1 / f 코너 주파수보다 높으며 주파수가 낮 으면 1 / f 잡음에서도 상당한 기여를 할 수 있습니다. 초퍼 증폭기는 1 / f 잡음이 훨씬 적지 만 비교적 높은 백색 잡음을 겪는 경우가 많습니다.

많은 실험실의 표준 키트 인 잠금 증폭기는 동기 복조로 인해 대역폭이 매우 낮습니다. 변조 및 복조를 통해 일부 상황에서는 앰프가 아닌 앰프의 화이트 노이즈 영역 (일정한 nV / sqrt Hz)에서 작동 할 수 있습니다.

신호가 수십 Hz 이상이고 소스 임피던스가 낮 으면 입력에서 간단한 승압 변압기를 사용하여 부스트를 얻을 수 있습니다. 물론 권선 저항으로 인해 Johnson-Nyquist 소음이 발생합니다. 1 : n 권선비의 변압기는 임피던스를 1 / sqrt (n) 감소시키고 노이즈를 1 / n 감소시키는 것이 이상적입니다.

'n'저잡음 증폭기를 병렬화하고 출력을 합산하여 임의로 저잡음 증폭기를 구축 할 수도 있습니다. 입력 임피던스는 1 / n에 따라 감소하고 관련없는 노이즈는 1 / sqrt (n)에 따라 감소하므로 병렬로 연결된 100 개의 앰프는 1/100의 입력 임피던스와 (이상적으로) 1/10의 노이즈를 갖습니다.

액체 헬륨 cryostat 및 일부 DC SQUID를 사용할 수 있으면 소음 수준이 훨씬 낮아 지지만 예산은 설정뿐만 아니라 단일 케이블 비용도 지불하지 않습니다.

이 회로는 1KHz에서 60dB의 이득을 가지며 50Hz 이하에서 86dB로 상승합니다. 노이즈 플로어 <1nV / rtHz.

프리 앰프가 RIAA 보상되고 턴테이블 와우 / 플러터가 거부되어야하므로 DC_blocking이 고유 한 NJFET 프리 앰프를 고려하십시오. 이 회로는 diyAudio.com 웹 사이트 (포럼의 "Simplistic NJFET RIAA")에서 250 마이크로 볼트를 0.25 볼트로 변환하기위한 60dB 게인을 제공합니다. MovingCoil 카트리지의 출력 인 250microVolts의 SNR은 인상적입니다. 이 회로의 홈 빌더 (수십 개가 제작 됨)는 "음악은 절대적으로 조용한 곳에서 나옵니다.-전력 증폭기 게인이 최대로 올라간 경우에도 his 소리 나 윙윙 거리는 소리는 없습니다."

첫 번째 게인 단계 (밀러를 제거하기 위해 Q3 바이폴라 캐스케이드가있는 이중 NJFET) 효과) 적절한 SHUNT 조정기를 사용해야합니다.

회로 "살라"의 개발자는 또한 diyAudio의 중재자 중 하나이며, MovingCoils 이외의 센서에 회로를 사용하는 것에 대해 물어 보면 아마 즐겁게 될 것입니다. 2SK170은 1nanoVolt / rtHz에서 잡음 밀도가 우수합니다. 어떤 사람들은 2를 동시에 사용합니다. 이 포럼의 광범위한 부분에서 NJFET의 측정 및 정렬이 1 % 수준의 일치 (1 / 10ma 중 1 개)에 대해 논의되어 있어도 일부 사람들은 4 개의 병렬로 간다. 10 또는 15mA).

실험자들은 2 ohm에서 10 ohm 범위의 MovingCoils에 만족한다고 기록했다. 6 Ohm MC 센서는 1nV / sqrt (10) 또는 0.316nV / rtHz입니다. 이러한 저소음 센서를 사용하려면 상당한 인프라가 필요합니다. 다음은 그러한 물리적 인 예입니다.

50Hz 전력 변압기 (대부분의 빌더는 유럽에 있음)와 정류기 및 첫 번째 CLC 필터링은 REMOTE BOX이며, 미터 길이의 케이블은 55 볼트를 포 그라운드의 LeftRight 채널 상자로 가져오고 션트 레귤레이터는 맨 왼쪽에 있습니다. / right와 실제 RIAA (유전체 압축으로 인한 최소한의 음악 채색을 위해 거대한 검은 색 필름 커패시터에 주목) 프리 앰프 중간에 있습니다. 무거운 알루미늄 상자에 유의하십시오. 또한 하단은 션트 레귤레이터의 방열판입니다. 명반이나 강철일까요? 모르겠어요

편집 목표는 1 nanoVolt의 정확한 측정입니다. 매우 낮은 Zsource에서. "센서 션트"에서 프리 앰프까지 일부 와이어를 연결해야합니다. 이 전선은 모든 종류의 쓰레기에 대한 후보 경로입니다. 미터 단위의 60Hz 에너지, 120Hz 에너지의 모든 비트는 유용한 전도도를 위해 해당 와이어를 탐색합니다. 그리고 스위칭 레그 인 블랙 브릭도 리턴 경로가 필요합니다.

턴테이블과 카트리지의 절연 상태를 검사하십시오. 차폐, 5 번째 와이어 사용 (LeftRight 채널 센서의 4 개 와이어 추가). 외부 에너지를 위해 해당 4 + 1 와이어의 사용을 최소화해야합니다. 거리는 유일한 친구 일 수 있습니다. 그러나 희망이 있습니다. 다음은 117VAC / 220VAC와 정류 된 원시 DC (ShuntReg에 들어가기 전) 사이의 최고의 Efield 절연을위한 중요한 방법 인 "racetrack"전력 변압기의 사진입니다.

1 차 및 2 차는 별도의 코일 형태로되어있어 전력선 쓰레기를 프리 앰프에 용량 성 결합시키는 것을 최소화하고, 그 쓰레기는 건물 외부의 접지로 돌아가는 경로를 요구하며, 센서의 전선은 길을 탐험했다.

고주파수에서는 저전압 문제에 대처하기 위해 변압기 (에어 코어 코일)를 사용하십시오. 증폭기로서 삼극관을 사용하면 소음이 적습니다. 금속 포일 또는 권선 저항기를 사용하고 저온으로 유지하십시오.

신호가 AC 및 협 대역 인 경우, 조정 된 변압기를 사용하여 정상적인 기술이 작동하는 합리적인 수준까지 전압을 얻으십시오.

변압기는 DCR 이 낮 으므로 열 잡음이 낮습니다. 잘 차폐되어 있으면 큰 도움이 될 것입니다.

다음은 Avcl = 60dB 및 100dB에서 1 ​​nanoVolt 노이즈 밀도 OpAmp를 사용하는 OpAmp 설계입니다. 1 단계는 거대한 커패시터를 피하기 위해 DC 커플 링됩니다 (Efield 간섭에 취약). 스테이지 2는 이득 설정 네트워크에서 DC 차단된다; 재미를 위해 각 OpAmp에 10 밀리 볼트의 전원 공급 장치 간섭을 포함 시켰습니다. 결과? SNR은 -70dB입니다. Vout은 29milliVolts입니다. 열 소음은 1 볼트입니다. 전원 공급 장치 소음은 93V입니다. [전원 공급 장치 리플이 없으면 SNR은 -31.5dB]

그리고 여기에 PowerSupply 휴지통이 매우 강력하게 발생하는 이유는 다음과 같습니다. OpAmp PSRR은 80dB (기본값)이고 OpAmp VDD의 LsRsC는 60/120 리플에 영향을 미치지 않습니다 (캡은 훨씬 커야하며 시리즈 Rs는 10 배 이상).

이제 Q = 100으로 25Hertz 대역 통과로 모델링 된 Lockon Amplifer의 이점을 추가하십시오. SNR은 (1nanoVoltPP 입력으로) -30dB에서 -5dB로 향상됩니다. 오른쪽 상단에서 "Gargoyles"와 "PSI"를 클릭했습니다. 또한 SNR / ENOB 창 아래에서 highQ 필터로 인해 FOI FrequencyOfInterest 값을 정확히 25Hz로 설정했습니다. 그리고 LowPass Filter LRC 스테이지를 사용하여 워크 시트를 사용하여 LC 공명을 정확히 25.00Hz에 배치 할 수있었습니다. Q = 100에서는 이것이 필요합니다.

다음은 24 ~ 26Hz의 노이즈 플롯입니다. 오른쪽에 많은 노이즈 소스가 나열되어 있지만 앰프 노이즈와 Rg 만 중요합니다. Rg는 10.01 Ohms to ground이며 버퍼링 된 게인 추종자의 60dB 게인을 설정합니다. 다시 첫 번째 opamp의 Rnoise는 62_ohms 또는 1.0nv / rtHz입니다.