Amplificazione di un segnale nV attraverso una piccola resistenza

Sono interessato alla fattibilità di amplificare / misurare un segnale di livello nV (o altrimenti assunto molto piccolo) attraverso una piccola resistenza.

L'SNR di questo segnale non è così male in sé a causa del rumore termico molto piccolo, a causa del piccolo valore della resistenza. La mia principale preoccupazione è che gli amplificatori a basso rumore disponibili in commercio sembrino inevitabilmente aggiungere rumore in ingresso al livello di pochi nV per hertz a radice quadrata, ovviamente inondando il segnale.

Ho un'altra opzione? Pensavo che a causa della piccola resistenza, potrei non aver bisogno di un amplificatore con una resistenza di ingresso così elevata, che potrebbe in parte causare il rumore? Non ne sono sicuro.

Lo spettro di interesse è importante: alcuni dispositivi di amplificazione altrimenti molto buoni hanno un rumore molto elevato a frequenze inferiori a 10Hz.

Vale la pena prendere in considerazione due opzioni: la prima è costituita dai transistor bipolari per fornire un utile guadagno prima di un secondo stadio operazionale.

Perché non andare direttamente a un opamp? Sono piuttosto rumorosi, pochissimi hanno una tensione di rumore in ingresso inferiore a 1 nV / rtHz e vuoi fare di meglio.

I transistor PNP sono preferiti, grazie alla loro resistenza di diffusione alla base inferiore. Un esempio con una buona reputazione alcuni anni fa era il 2SC2547, la scheda tecnica è ancora disponibile qui ...

Osservando i contorni della figura di rumore costante a pagina 6, che tracciano utili contorni di 2dB e 4dB, ma non il 3dB più utile, quindi è necessario interpolare tra di loro. Ma il grafico a 1 kHz mostra un minimo di rumore a Ic = 10mA, con una cifra di rumore 3dB con una resistenza della sorgente compresa tra 10 e 20 ohm - chiamatelo 15 ohm.

Ciò implica che questo transistor, con Ic = 10mA, può essere rumoroso come un resistore da 15 ohm - a 1 kHz o superiore. Le curve di nota per 120Hz e 10Hz consentono di scegliere un diverso punto di lavoro se le frequenze più basse sono importanti.

Il rumore di Johnson (da Wiki) può essere calcolato come

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

Quindi, 0,9 nV nV / rtHz sarebbe il rumore di una resistenza da 48 ohm, mentre questo transistor (o una resistenza da 15 ohm) darebbe 0,5 nV / rtHz.

L'ho usato negli stadi di ingresso dell'amplificatore del microfono, in una tipica configurazione di ingresso dell'amplificatore del microfono (coppia a coda lunga, sorgente di corrente che alimenta entrambi gli emettitori, 470R o 1K in ciascun collettore {che alimenta un opamp, e fa quello che dice sulla scatola.

Transistor PNP meno esotici come l'umile BC214 o più recenti possono anche fare ragionevolmente bene.

La seconda opzione, se lo spettro di interesse non include DC, è un trasformatore step-up per abbinare l'impedenza della sorgente all'impedenza del rumore dell'amplificatore scelto.

Ad esempio, se si sceglie NE5534A con 3,5 nV / rtHz o un'impedenza del rumore di 700 ohm e l'impedenza della sorgente è 1 ohm, è necessario un rapporto di trasformazione dell'impedenza di 1: 700 o un rapporto di trasformazione della tensione (rapporto di giri) di 1:26 (sqrt (700).

La resistenza primaria del trasformatore è ovviamente una fonte di rumore: dovrebbe essere relativamente poche spire e filo di grande diametro, per mantenere bassa la resistenza (e quindi il rumore). Anche la resistenza secondaria conta, sebbene il suo rumore sia aggiunto in cima alla tensione secondaria intensificata.

La corrispondenza dell'impedenza del rumore ti consente di ottenere le migliori prestazioni da qualsiasi amplificatore tu scelga.

Gli amplificatori di ingresso FET non soffrono delle stesse fonti di rumore dei resistori, il che è il modo in cui possono ancora avere un rumore <100nVpp con resistenze di ingresso nella gamma di tera ohm.

I dispositivi analogici producono un ADC a "32" bit con preamplificatore con rumore di ingresso <100nVpp, è possibile calcolare la media di molti campioni per provare a migliorare il rumore di fondo (5 secondi per un'ora dovrebbero darti un paio di bit extra di dati "senza rumore" ).

Per quanto riguarda gli opamp generali, l'opamp AD8000 ha solo un rumore di ~ 20nVpp tra 0,1 - 10Hz, che è un rumore da picco a picco , non radice-Hz.

C'è una società britannica che produce picovoltmeters apparentemente non superconduttori ! Potrebbero avere qualcosa di utile.

Altrimenti, vedi se puoi prendere in prestito l'amplificatore lock-in di qualcuno. Ma usare uno di questi NON è per la finta del cuore.

Ricorda, non importa cosa stai facendo, c'è quasi sempre un altro modo , non necessariamente un modo migliore , ma di solito hai opzioni. Il trucco è trovarli.

Per me non è affatto ovvio che "pochi" rumori nV / sqrt Hz sommergono il tuo segnale poiché non hai detto nulla sulla larghezza di banda. Se la larghezza di banda è molto bassa, potrebbe non esserci un problema. Si noti che la larghezza di banda non è la frequenza massima.

Nota che il rumore nV / sqrt citato è al di sopra della frequenza d'angolo 1 / f e se la tua frequenza è bassa, potresti avere un contributo significativo anche dal rumore 1 / f. Gli amplificatori Chopper hanno molto meno rumore 1 / f ma spesso soffrono di un rumore bianco relativamente alto.

Un amplificatore lock-in, un kit standard in molti laboratori, ha effettivamente una larghezza di banda molto bassa a causa della demodulazione sincrona. Modulando e demodulando, in alcune circostanze, è possibile operare nella regione del rumore bianco dell'amplificatore (costante nV / sqrt Hz) anziché all'estremità inferiore.

Se il segnale supera alcune decine di Hz e l'impedenza della sorgente è bassa, è possibile ottenere un boost utilizzando un semplice trasformatore step-up all'ingresso. Ovviamente ci sarà un contributo al rumore Johnson-Nyquist dalla resistenza degli avvolgimenti. Il trasformatore con rapporto di rotazione 1: n riduce l'impedenza di 1 / sqrt (n) e diminuisce il rumore di 1 / n, idealmente.

È anche possibile costruire un amplificatore a basso rumore arbitrariamente semplicemente mettendo in parallelo amplificatori 'n' a basso rumore e sommando le uscite. L'impedenza di ingresso diminuisce di 1 / n e il rumore non correlato diminuisce di 1 / sqrt (n), quindi 100 amplificatori in parallelo avrebbero 1/100 dell'impedenza di ingresso e (idealmente) 1/10 del rumore.

Se ti capita di avere un criostato di elio liquido e alcuni SQUID DC disponibili, puoi ottenere livelli di rumore molto più bassi, ma il tuo budget non pagherà nemmeno un singolo cavo e tanto meno l'installazione.

Questo circuito ha un guadagno di 60 dB a 1 KHz, passando a 86 dB al di sotto di 50 Hz. Rumorosità <1nV / rtHz.

Prendi in considerazione un preamplificatore NJFET, con DC_blocking inerente perché il preamplificatore è compensato dalla RIAA e il wow / flutter del giradischi dovrebbe essere respinto. Questo circuito, dal sito Web diyAudio.com (il forum è "NJFET RIAA semplicistico"), fornisce un guadagno di 60 dB, destinato a convertire 250 microVolt in 0,25 volt. Il SNR per 250microVolts, l'output di una cartuccia MovingCoil, sarà impressionante; i costruttori di casa di questi circuiti (ne sono stati costruiti decine) parlano di "musica che ti esce dalla quiete assoluta --- nessun sibilo, ronzio o ronzio, anche con il guadagno dell'amplificatore di potenza al massimo".

Data la totale mancanza di PowerSupplyRejection (notare che il set di guadagno R1 e il set di guadagno R10 sono legati alla guida a 45 volt, anche se con C5 e C6 per il secondo stadio di guadagno e buffer di uscita) per il primo stadio di guadagno (NJFETS doppi con cascata bipolare Q3 per eliminare Miller effetto), dovrai utilizzare il regolatore SHUNT appropriato:

Lo sviluppatore dei circuiti "salas" è anche uno dei moderatori di diyAudio e probabilmente si divertirà se si passa e si chiede di utilizzare i circuiti per sensori diversi da MovingCoils. Il 2SK170 ha una densità del rumore ben al di sotto di 1nanoVolt / rtHz; alcune persone usano 2 in parallelo; alcune persone vanno per 4 in parallelo, forse con qualche ohm nelle fonti FET per incoraggiare una condivisione della corrente più equa, anche se un'ampia parte di quel forum discute la misurazione e l'ordinamento di NJFET al livello di corrispondenza dell'1% (1 / 10ma su 10 o 15mA).

Gli sperimentatori scrivono di essere soddisfatti dei MovingCoils nella gamma da 2 ohm a 10 ohm; i sensori MC da 6 Ohm sarebbero 1nV / sqrt (10) o 0.316nV / rtHz. È necessaria un'infrastruttura sostanziale per utilizzare tali sensori a basso rumore; ecco un esempio fisico del genere:

Nota il trasformatore di potenza a 50Hz (la maggior parte dei costruttori sono in Europa) e i raddrizzatori e il primo filtro CLC è un REMOTE BOX, con cavi lunghi un metro che portano i 55 volt alla scatola del canale LeftRight in primo piano, con Shunt Regulator all'estrema sinistra / a destra e l'attuale RIAA (notare gli enormi condensatori a pellicola nera, per una colorazione musicale minima dalla compressione dielettrica) Preamps nel mezzo. Nota le scatole di alluminio pesante. Il fondo è anche il dissipatore di calore per i regolatori di shunt. Che può essere allume o acciaio? Non lo so.

modifica Il tuo obiettivo è la misurazione accurata di 1 nanoVolt. Da una Zsource molto bassa. Dovrai passare alcuni fili dal "shunt del sensore" al PreAmplifier. Quei fili sono percorsi candidati per tutti i tipi di spazzatura. Ogni bit di energia a 60Hz, di energia a 120Hz, per metri intorno, esplorerà quei fili per conduttività utile. E quei mattoni neri, cambiando reg, hanno anche bisogno di percorsi di ritorno.

Esaminare l'isolamento di un giradischi e una cartuccia. La schermatura, l'uso di un 5 ° filo (oltre ai 4 fili dei sensori del canale LeftRight). È necessario ridurre al minimo l'uso di quei fili 4 + 1 per energia estranea. La distanza potrebbe essere il tuo unico amico. Eppure c'è speranza. Ecco la foto del trasformatore di potenza "pista", il metodo apprezzato per il miglior isolamento Efield tra 117 V CA / 220 V CA e la CC grezza rettificata (prima di entrare nello ShuntReg):

Si noti che il primario e il secondario si trovano su forme di bobina separate, riducendo al minimo l'accoppiamento capacitivo della spazzatura della linea elettrica nel preamplificatore, quella spazzatura che quindi richiede un percorso di ritorno alla terra all'esterno dell'edificio, con i fili al sensore che sono una porzione di i percorsi esplorati.

Ad alta frequenza, utilizzare il trasformatore (bobine del nucleo dell'aria) per combattere quel problema di bassa tensione. Come amplificatori, usano i triodi, hanno un basso rumore. Usa una lamina di metallo o resistori a filo avvolto e cerca di mantenerli a bassa temperatura.

Se il segnale è AC e banda stretta, perché non utilizzare un trasformatore sintonizzato per portare la tensione a un livello ragionevole in cui funzioneranno le normali tecniche?

Il trasformatore ha un DCR basso e quindi un basso rumore termico. Se è ben schermato, sarà di grande beneficio.

Ecco un design OpAmp, che utilizza 1 OpAmps di densità del rumore nanoVolt, in Avcl = 60 dB e 100 dB; lo stadio 1 è accoppiato in CC, per evitare enormi condensatori (vulnerabili alle interferenze di Efield); la fase 2 è DC-bloccata nella rete di guadagno; per divertimento, ho incluso 10 millivolt di interferenza PowerSupply in ogni OpAmp. Risultato? il SNR è -70dB. Vout è 29milliVolts; il rumore termico è di 1 volt; il rumore dell'alimentazione è di 93 volt. [Senza ondulazione dell'alimentazione, SNR è -31,5 dB]

Ed ecco perché il cestino di PowerSupply arriva così fortemente: OpAmp PSRR è solo 80dB (valori predefiniti) E gli LsRsC su OpAmp VDD non hanno alcun impatto sull'ondulazione 60/120 (i tappi devono essere molto più grandi e le serie R a almeno 10 volte più grande).

Ora aggiungi il vantaggio di un Amplificatore Lockon: modellato come passabanda 25Hertz, con Q = 100. SNR migliora (con input 1nanoVoltPP) da -30 dB a -5 dB. Nota, in alto a destra, ho fatto clic su "Gargoyles" e "PSI". Nota anche, sotto le finestre SNR / ENOB, ho impostato il valore FOO FrequencyOfInterest su esattamente 25Hz, necessario a causa del filtro highQ. E ho usato lo stadio LowRass Filter LRC, in modo da poter posizionare la risonanza LC esattamente a 25,00Hz, usando il foglio di lavoro; a Q = 100 questo è necessario.

Ecco la trama del rumore, che copre da 24 a 26Hz. Notare le numerose fonti di rumore elencate sul lato destro, ma solo il rumore dell'amplificatore e Rg sono importanti. Rg è il 10.01 Ohm a terra, impostando il guadagno di 60dB di quel Buffered Gain Follower. Ancora una volta, la Rnoise del primo opamp è 62_ohms, o 1.0nv / rtHz.