Làm thế nào để tránh nhiễu Johnson trong bộ khuếch đại trở kháng đầu vào cao

Tôi không có một mạch tôi đang làm việc, đây là một câu hỏi lý thuyết - tôi đang cố gắng khắc phục một lỗ hổng trong sự hiểu biết của tôi.

Hãy tưởng tượng tôi muốn xây dựng một bộ khuếch đại trở kháng đầu vào cao để hoạt động trong phạm vi mV thấp, với một vài nhiễu nV / √Hz. Tôi muốn khuếch đại tín hiệu vi sai 1-100KHz. Ban đầu, tôi sẽ bắt đầu với một bộ khuếch đại thiết bị đo chất lượng tốt (ví dụ AD8421 ) và chỉ đặt các tụ điện nối tiếp với cả hai đầu vào.

Nhưng điều đó có một vấn đề. Không có đường dẫn DC nối đất với đầu vào, vì vậy có lẽ nó sẽ từ từ trôi đi và lan can đầu ra. Vì vậy, tôi cần thêm một điện trở để nối đất trên mỗi đầu vào. Xem mạch đầu tiên trong sơ đồ dưới đây. Điện trở đó sẽ đặt trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại của tôi, mà tôi muốn là khoảng 100MΩ. Nhưng nếu tôi tính toán Johnson tiếng ồn tôi mong đợi từ hai 100MΩ điện trở tôi nhận ≈ 1,7 V / √Hz $\sqrt{2} \times \sqrt{4k_BTR}$

Vì vậy, tôi đã đi đến kết luận rằng tôi có thể có tiếng ồn thấp hoặc trở kháng cao, nhưng không phải cả hai. Sau đó tôi đã tìm thấy một bộ tiền khuếch đại đầu vào thương mại được chỉ định ở mức nhiễu đầu vào 3,6 nV / √Hz và trở kháng đầu vào 100MΩ. Tôi đã có một cái nhìn bên trong, và có vẻ như họ sử dụng mạch bên phải.

sơ đồ

^{mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab}

Hai FET ở phía bên tay phải là một cặp tương ứng (biểu dữ liệu từ google ) và tạo thành giai đoạn đầu tiên của bộ khuếch đại. Tôi đã không đảo ngược kỹ sư nữa, nhưng tôi có thể nếu cần thiết.

Vì vậy, câu hỏi của tôi là: Điều gì là sai với sự hiểu biết của tôi? Tại sao mạch thứ hai không có nhiễu trắng khoảng 1-2μV / √Hz từ các điện trở?

— Jack B
nguồn

Khả năng chịu nhiệt và dòng nhiễu cũng phụ thuộc vào vật liệu, đó là lý do tại sao màng kim loại luôn được ưu tiên hơn màng carbon ở giá trị R cao và dòng điện thiên vị đầu vào thấp nhất được ưu tiên cho các bộ khuếch đại

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

Tôi đồng ý với điều đó, lưu ý rằng những đóng góp tiếng ồn này xuất hiện trên 4KTR lý thuyết. Một điện trở lý tưởng (những cái bạn không thể mua) sẽ có nhiễu 4KTR, điện trở thực sẽ luôn có nhiều nhiễu hơn.

— Bimpelrekkie

Nó thường bị chi phối bởi trở kháng nguồn trừ khi bạn đo được nguồn Z cao. Sau đó, bạn phải đánh giá riêng chế độ chung Zdm và Zcm với CMRR

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

Câu trả lời:

Vấn đề trong lý luận của bạn là bạn không hiển thị đường dẫn đầy đủ của tín hiệu. Cụ thể hơn mức trở kháng của tín hiệu.

Bạn đúng ở chỗ bạn không thể có cả trở kháng cao và tiếng ồn thấp. Nếu bạn muốn tiếng ồn thấp, bạn phải giữ trở kháng thấp. Đơn giản như thế.

Trong hai mạch bạn đã vẽ, không rõ trở kháng của nguồn mà bạn sử dụng để cung cấp tín hiệu cho bộ khuếch đại của bạn là gì. Giả sử rằng các tụ ghép AC lớn và trở kháng nguồn này thấp (ví dụ: 50 ohms) thì nhiễu sẽ thấp!

Tại sao ? Bởi vì nhiễu tạo ra bởi các điện trở phân cực DC 100 Mohm sẽ bị chập bởi các tụ ghép AC và trở kháng nguồn thấp đó. Vì vậy, trong tình huống này, trở kháng tín hiệu hiệu quả (ở một tần số nhất định) thấp hơn nhiều so với 100 Mohm. Kết quả là tiếng ồn thấp.

Nếu không có trở kháng nguồn 50 ohms thì dòng nhiễu sẽ nhân với 100 Mohm của chính điện trở dẫn đến mức nhiễu cao.

Bạn có thể thực hiện các phép tính trên điều này dễ dàng hơn bằng cách xem xét dòng nhiễu được tạo ra bởi các điện trở 100 Mohm. Dòng điện đó sẽ được nhân với trở kháng nguồn tín hiệu (ví dụ: 50 ohms) dẫn đến điện áp nhiễu nhỏ!

Vì vậy, mạch bên phải không tốt hơn mạch của bạn ở bên trái. Đọc kỹ cách họ đo độ nhiễu thấp đó và cố gắng tìm hiểu mức trở kháng của tín hiệu đầu vào là gì. Tôi đảm bảo với bạn rằng họ sẽ sử dụng trở kháng nguồn sao cho có thể bỏ qua tiếng ồn của điện trở phân cực 100 Mohm DC (trở kháng nguồn rất thấp, thậm chí họ có thể bị chập / nối đất các đầu vào!). Trong mạch đó, nhiễu của FET phải chiếm ưu thế vì chúng phải xác định mức nhiễu thấp nhất có thể (ít nhất là trong một bộ khuếch đại được thiết kế đúng).

— Bimpelrekkie
nguồn

Aha! Vâng, điều đó có ý nghĩa. Vì vậy, nếu tôi sử dụng bộ khuếch đại thương mại trên nguồn <600Ω, tôi sẽ thấy nhiễu định mức. Nếu tôi sử dụng nó với nguồn điện trở 10MΩ, tôi sẽ thấy tiếng ồn của Johnson trong khoảng 10MΩ (rõ ràng). Và nếu tôi sử dụng nó với nguồn điện dung tương đương 10MΩ, tôi vẫn sẽ thấy mức độ tiếng ồn cao hơn. Tôi có đúng không?

— Jack B

Có bạn là, nó chỉ đơn giản là mức trở kháng ở tần số đó. Với nguồn 10 MΩ, bạn thực sự sẽ thấy mức nhiễu tương ứng với 10 MΩ. Đừng tính đến trở kháng của tụ điện, vv bởi vì chúng ảnh hưởng đến tiếng ồn.

— Bimpelrekkie

Một câu hỏi tiếp theo nếu tôi có thể: đây có phải là giới hạn cơ bản không, hoặc tôi có thể (theo giả thuyết là nó sẽ không có giá trị trong một hệ thống thực) tìm cách xoay quanh nó? Ví dụ, bằng cách sử dụng một cuộn cảm lớn thay vì điện trở, hoặc bằng cách bỏ qua điện trở và đôi khi đóng một rơle để tạo đường dẫn xuống đất và xả các nắp khớp nối AC.

— Jack B

Thật vậy, nếu bạn có thể thiên vị một mạch bằng cách sử dụng (hầu như) các phần tử ồn ào như cuộn cảm. Đối với các mạch RF (tần số vô tuyến), rất phổ biến để áp dụng sai lệch thông qua một cuộn cảm. Hoặc tạo một điện áp phân cực bằng cách sử dụng các điện trở nhiễu, làm giảm (bộ lọc) nhiễu đó bằng một tụ điện lớn và áp dụng thông qua một cuộn cảm. Trong đó cuộn cảm sẽ có trở kháng cao ở tần số tín hiệu.

— Bimpelrekkie

Hãy nhớ rằng bạn đang kết nối bộ khuếch đại này với nguồn tín hiệu, vì vậy trở kháng 200M này song song với trở kháng nguồn.

Đo tiếng ồn của bộ khuếch đại với mạch mở đầu vào và bạn sẽ thấy tiếng ồn dự đoán của mình. (cộng với sự đóng góp từ bất kỳ điện trường nào ở đầu vào; bạn có thể cần sàng lọc để đo lường điều này đúng cách)

Đo tiếng ồn của bộ khuếch đại với đầu vào được ngắn mạch và bạn sẽ thấy tiếng ồn vốn có của bộ khuếch đại.

Đo tiếng ồn của bộ khuếch đại với trở kháng nguồn thực tế mà nó sẽ được kết nối và bạn sẽ thấy tiếng ồn vốn có của bộ khuếch đại. Chỉ riêng tỷ lệ này với tiếng ồn của trở kháng nguồn là "con số nhiễu" của bộ khuếch đại.

Với điện trở nguồn 10Megohm (chân với chân), bạn sẽ thấy nhiễu Johnson từ 2 điện trở song song - 10Meg và 200 Meg, do đó bạn có thể thấy nhiễu ít hơn 0,5dB so với điện trở 10Meg (nhưng bạn đã giảm tín hiệu tương tự phân số quá)

Với nguồn điện dung - chẳng hạn như viên nang micro 30pf, trở kháng nguồn là mạng RC song song, vì vậy hãy coi nhiễu Johnson là điện áp nhiễu từ 200M, suy giảm bởi trở kháng nguồn 200M vào tụ 30pF. Nó sẽ được đặt phẳng trên tần số -3dB, sau đó giảm 6dB / quãng tám.

— Brian Drumond
nguồn