Khuếch đại tín hiệu nV qua điện trở nhỏ

Tôi quan tâm đến tính khả thi của việc khuếch đại / đo mức tín hiệu nV (hoặc giả sử rất nhỏ) qua một điện trở nhỏ.

Bản thân SNR của tín hiệu này không quá tệ vì nhiễu nhiệt rất nhỏ, do giá trị nhỏ của điện trở. Mối quan tâm chính của tôi là các bộ khuếch đại nhiễu thấp có bán trên thị trường dường như chắc chắn sẽ thêm nhiễu đầu vào ở mức vài nV trên hertz căn bậc hai, rõ ràng là tín hiệu bị nhiễu.

Tôi có lựa chọn nào khác không? Tôi đã nghĩ rằng do điện trở nhỏ, tôi có thể không cần một bộ khuếch đại có điện trở đầu vào cao như vậy, điều này có thể gây ra tiếng ồn? Tôi không chắc.

Phổ quan tâm là quan trọng: một số thiết bị khuếch đại rất tốt có độ nhiễu cực cao ở tần số dưới 10Hz.

Hai lựa chọn đáng để xem xét: đầu tiên là các bóng bán dẫn lưỡng cực để cung cấp lợi ích hữu ích trước giai đoạn thứ hai opamp.

Tại sao không đi thẳng đến một opamp? Chúng khá ồn, rất ít có điện áp nhiễu đầu vào dưới 1 nV / rtHz và bạn muốn làm tốt hơn thế.

Các bóng bán dẫn PNP được ưa thích, nhờ vào khả năng chống lan truyền cơ sở thấp hơn. Một ví dụ với danh tiếng tốt vài năm trước là 2SC2547, bảng dữ liệu vẫn có sẵn ở đây ...

Nhìn vào các đường viền của hình nhiễu không đổi ở trang 6, giúp vẽ các đường viền 2dB và 4dB một cách hữu ích, nhưng không phải là 3dB hữu ích nhất, vì vậy bạn phải nội suy giữa chúng. Nhưng âm mưu 1 kHz cho thấy mức nhiễu tối thiểu ở Ic = 10mA, với con số nhiễu 3dB với điện trở nguồn trong khoảng từ 10 đến 20 ohms - gọi nó là 15 ohms.

Điều đó ngụ ý rằng bóng bán dẫn này, ở Ic = 10mA, có thể ồn như điện trở 15 ohm - ở mức hoặc trên 1 kHz. Lưu ý các đường cong cho 120Hz và 10Hz cho phép bạn chọn một điểm làm việc khác nếu tần số thấp hơn là quan trọng.

Tiếng ồn Johnson (từ Wiki) có thể được tính là

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

Vì vậy, 0,9nV nV / rtHz sẽ là nhiễu của điện trở 48 ohm, trong khi bóng bán dẫn này (hoặc điện trở 15 ohm) sẽ cho 0,5 nV / rtHz.

Tôi đã sử dụng nó trong các giai đoạn đầu vào bộ khuếch đại micrô, trong cấu hình đầu vào mic amp điển hình (cặp đuôi dài, nguồn cấp hiện tại cho cả hai bộ phát, 470R hoặc 1K trong mỗi bộ thu {cho ăn opamp và nó nói như thế nào trên hộp thiếc.

Các bóng bán dẫn PNP ít kỳ lạ hơn như BC214 khiêm tốn hoặc mới hơn cũng có thể hoạt động khá tốt.

Tùy chọn thứ hai, nếu phổ quan tâm không bao gồm DC, là một biến áp tăng cường để phù hợp với trở kháng nguồn của bạn với trở kháng nhiễu của bộ khuếch đại đã chọn.

Ví dụ: nếu bạn chọn NE5534A với 3,5nV / rtHz hoặc trở kháng nhiễu là 700 ohms và trở kháng nguồn của bạn là 1 ohm, bạn cần tỷ lệ biến đổi trở kháng là 1: 700 hoặc tỷ lệ biến đổi điện áp (tỷ số biến đổi) là 1:26 (sqrt (700).

Tất nhiên, điện trở chính của bộ biến đổi là một nguồn nhiễu: nó phải tương đối ít vòng và dây có đường kính lớn, để giữ cho điện trở (và do đó nhiễu). Điện trở thứ cấp cũng có vấn đề, mặc dù nhiễu của nó được thêm vào phía trên của điện áp thứ cấp tăng lên.

Kết hợp trở kháng tiếng ồn cho phép bạn có được hiệu suất tốt nhất từ ​​bất kỳ bộ khuếch đại nào bạn chọn.

Các ampe đầu vào của FET không bị các nguồn nhiễu giống như các điện trở, đó là cách chúng vẫn có thể có nhiễu <100nVpp với các điện trở đầu vào trong phạm vi tera ohm.

Các thiết bị tương tự tạo ra ADC "32" bit w / preamp với độ nhiễu đầu vào <100nVpp, bạn có thể lấy trung bình nhiều mẫu để cố gắng cải thiện mức nhiễu (5 giây trong một giờ sẽ cung cấp cho bạn thêm một vài bit dữ liệu "không nhiễu" ).

Đối với opamp nói chung, opamp AD8000 chỉ có tiếng ồn ~ 20nVpp trong khoảng 0,1 - 10Hz, đó là tiếng ồn cực đại đến cực đại , không phải gốc-Hz.

Có một công ty của Anh sản xuất các picovoltmet dường như không siêu dẫn ! Họ có thể có một cái gì đó hữu ích.

Nếu không, hãy xem bạn có thể mượn bộ khuếch đại khóa của ai đó không. Nhưng sử dụng một trong những thứ này KHÔNG dành cho sự yếu đuối của trái tim.

Hãy nhớ rằng, không quan trọng bạn đang làm gì, hầu như luôn luôn là một cách khác , không nhất thiết là cách tốt hơn , nhưng bạn thường có các lựa chọn. Bí quyết là tìm ra chúng.

Đối với tôi không rõ ràng rằng tiếng ồn 'một vài' nV / sqrt Hz làm mất tín hiệu của bạn vì bạn không nói gì về băng thông. Nếu băng thông của bạn rất thấp thì có thể không có vấn đề gì. Lưu ý rằng đó là băng thông không phải tần số tối đa.

Lưu ý rằng nhiễu nV / sqrt Hz được trích dẫn cao hơn tần số góc 1 / f và nếu tần số của bạn thấp thì bạn cũng có thể có sự đóng góp đáng kể từ nhiễu 1 / f. Bộ khuếch đại chopper có tiếng ồn 1 / f ít hơn nhiều nhưng thường phải chịu tiếng ồn trắng tương đối cao.

Bộ khuếch đại khóa, một bộ công cụ tiêu chuẩn trong nhiều phòng thí nghiệm, thực sự có băng thông rất thấp do giải điều chế đồng bộ. Bằng cách điều chỉnh và giải điều chế, trong một số trường hợp, bạn có thể hoạt động trong vùng nhiễu trắng của bộ khuếch đại (nV / sqrt Hz không đổi) thay vì ở đầu dưới.

Nếu tín hiệu ở trên vài chục Hz và trở kháng nguồn thấp, bạn có thể tăng tín hiệu bằng cách sử dụng một biến áp tăng cường đơn giản ở đầu vào. Tất nhiên, sẽ có sự đóng góp tiếng ồn Johnson-Nyquist từ điện trở quanh co. Máy biến áp có tỷ lệ quay 1: n làm giảm trở kháng 1 / sqrt (n) và giảm tiếng ồn 1 / n, lý tưởng nhất.

Cũng có thể xây dựng một bộ khuếch đại nhiễu thấp tùy ý chỉ bằng cách song song các bộ khuếch đại nhiễu thấp và tổng hợp các đầu ra. Trở kháng đầu vào giảm với 1 / n và nhiễu không tương thích giảm với 1 / sqrt (n), do đó, 100 bộ khuếch đại song song sẽ có 1/100 trở kháng đầu vào và (lý tưởng) 1/10 tiếng ồn.

Nếu bạn tình cờ có một bộ điều hòa helium lỏng và một số DC SQUID có sẵn, bạn có thể nhận được mức độ tiếng ồn thấp hơn nhiều nhưng ngân sách của bạn sẽ không trả cho dù chỉ một cáp.

Mạch này có mức tăng 60dB tại 1KHz, tăng lên 86dB dưới 50Hz. Độ ồn sàn <1nV / rtHz.

Hãy xem xét một bộ tiền khuếch đại NJFE, với DC_blocking vốn có vì tiền khuếch đại được bù RIAA và rung / rung bàn xoay nên bị từ chối. Mạch này, từ trang web diyAudio.com (diễn đàn có "Đơn giản NJFE RIAA"), cung cấp mức tăng 60dB, dự định chuyển đổi 250 microVolts thành 0,25 volt. SNR cho 250microVolts, đầu ra của hộp mực MoveCoil, sẽ rất ấn tượng; những người xây dựng nhà của các mạch này (hàng chục đã được xây dựng) nói về "âm nhạc phát ra từ bạn hoàn toàn yên tĩnh --- không có tiếng rít hay tiếng rít hay tiếng vo vo, ngay cả khi Bộ khuếch đại công suất đạt được tối đa."

Với tổng số thiếu PowerSupplyRejection (lưu ý bộ tăng ích R1 và bộ khuếch đại R10 được gắn với đường ray 45volt, mặc dù với C5 và C6 cho giai đoạn tăng thứ 2 và bộ đệm đầu ra) cho giai đoạn tăng đầu tiên (NJFES kép với bậc thang lưỡng cực thứ 3 để loại bỏ Miller có hiệu lực), bạn sẽ cần sử dụng bộ điều chỉnh SHUNT thích hợp:

Nhà phát triển các mạch "salas" cũng là một trong những người điều hành cho diyAudio và có thể sẽ thích thú nếu bạn ghé qua và hỏi về việc sử dụng các mạch cho các cảm biến khác ngoài MoveCoils. 2SK170 có mật độ nhiễu tốt dưới 1nanoVolt / rtHz; Một số người sử dụng song song 2; một số người đi song song với nhau, có lẽ với một vài ohms trong các nguồn FET để khuyến khích chia sẻ hiện tại bằng nhau hơn mặc dù một phần rộng lớn của diễn đàn đó thảo luận về đo lường NJFE và sắp xếp theo mức 1% (1 / 10ma trong số 10 hoặc 15mA).

Các nhà thử nghiệm viết về việc hài lòng với MoveCoils trong phạm vi 2 ohm đến 10 ohm; các cảm biến MC 6 Ohm sẽ là 1nV / sqrt (10) hoặc 0.316nV / rtHz. Một cơ sở hạ tầng đáng kể là cần thiết để sử dụng các cảm biến tiếng ồn thấp như vậy; đây là một ví dụ vật lý như vậy:

Lưu ý máy biến áp nguồn 50Hz (hầu hết các nhà chế tạo ở Châu Âu) và bộ chỉnh lưu và bộ lọc CLC đầu tiên là HỘP XÓA, với các dây cáp dài hàng mét đưa 55 volt vào hộp kênh LeftRight ở phía trước, với Bộ điều chỉnh Shunt ở cực bên trái / phải và RIAA thực tế (lưu ý các tụ điện phim đen khổng lồ, để tô màu âm nhạc tối thiểu từ nén điện môi) Tiền khuếch đại ở giữa. Lưu ý các hộp nhôm nặng. Phía dưới cũng là phần tản nhiệt cho Bộ điều chỉnh Shunt. Đó có thể là phèn hay thép? Tôi không biết.

chỉnh sửa Mục tiêu của bạn là đo chính xác 1 nanoVolt. Từ một Zsource rất thấp. Bạn sẽ cần chạy một số dây từ "shunt cảm biến" đến PreAmoder. Những dây này là đường dẫn ứng cử viên cho tất cả các loại rác. Mỗi bit năng lượng 60Hz, năng lượng 120Hz, tính bằng mét xung quanh, sẽ khám phá những dây dẫn đó để có độ dẫn hữu ích. Và những viên gạch đen, chuyển đổi regs, cũng cần đường dẫn trả về.

Kiểm tra sự cô lập của một bàn xoay và hộp mực. Việc che chắn, sử dụng dây thứ 5 (ngoài 4 dây từ các cảm biến kênh LeftRight). Bạn cần giảm thiểu việc sử dụng các dây 4 + 1 đó cho năng lượng bên ngoài. Khoảng cách có thể là người bạn duy nhất của bạn. Tuy nhiên vẫn còn hy vọng. Dưới đây là hình ảnh của máy biến áp điện "đường đua", phương pháp được đánh giá cao để cách ly Efield tốt nhất giữa 117VAC / 220AC và DC thô được chỉnh lưu (trước khi vào ShuntReg):

Lưu ý rằng sơ cấp và thứ cấp nằm trên các dạng cuộn riêng biệt, giảm thiểu sự ghép điện dung của thùng rác đường dây điện vào Preamp, thùng rác đó sau đó yêu cầu đường trở về mặt đất bên ngoài tòa nhà, với dây dẫn đến cảm biến là một phần của những con đường khám phá.

Trên tần số cao, sử dụng máy biến áp (cuộn dây lõi không khí) để chống lại vấn đề điện áp thấp đó. Là bộ khuếch đại, sử dụng triodes, chúng có độ ồn thấp. Sử dụng lá kim loại hoặc điện trở vết thương dây, và cố gắng giữ chúng ở nhiệt độ thấp.

Nếu tín hiệu là AC và băng tần hẹp thì tại sao không sử dụng biến áp điều chỉnh để đưa điện áp lên mức hợp lý, nơi các kỹ thuật bình thường sẽ hoạt động?

Máy biến áp có DCR thấp và do đó tiếng ồn nhiệt thấp. Nếu nó được bảo vệ tốt, nó sẽ có ích lớn.

Đây là một thiết kế OpAmp, sử dụng OpAmps mật độ nhiễu 1 nanoVolt, trong Avcl = 60dB và 100dB; giai đoạn 1 được ghép nối DC, để tránh các tụ điện lớn (dễ bị nhiễu Efield); giai đoạn 2 bị chặn DC trong mạng được thiết lập; để giải trí, tôi đã bao gồm 10 millivolts nhiễu PowerSupply trong mỗi OpAmp. Kết quả? SNR là -70dB. Vout là 29 milliVolts; nhiễu nhiệt là 1 volt; tiếng ồn cung cấp điện là 93 volt. [Không có gợn cung cấp điện, SNR là -31,5 dB]

Và đây là lý do tại sao thùng rác PowerSupply xuất hiện rất mạnh: OpAmp PSRR chỉ có 80dB (giá trị mặc định) VÀ LsRsC trên OpAmp VDD không có tác động đến Ripple 60/120 (Caps cần phải lớn hơn nhiều và loạt R tại lớn hơn 10 lần).

Bây giờ thêm lợi ích của Amplifer Lockon: được mô hình hóa thành băng thông 25Hertz, với Q = 100. SNR cải thiện (với đầu vào 1nanoVoltPP) từ -30dB đến -5dB. Lưu ý, ở phía trên bên phải, tôi đã nhấp vào "Gargoyles" và "PSI". Cũng lưu ý, bên dưới cửa sổ SNR / ENOB, tôi đặt giá trị FOI Tần số tần số chính xác là 25Hz, cần thiết vì bộ lọc highQ. Và tôi đã sử dụng giai đoạn LRC của Bộ lọc LowPass, vì vậy tôi có thể đặt cộng hưởng LC chính xác ở 25.00Hz, bằng cách sử dụng bảng tính; tại Q = 100 điều này là cần thiết.

Đây là âm mưu nhiễu, bao phủ 24 đến 26Hz. Lưu ý nhiều nguồn tiếng ồn được liệt kê ở phía bên tay phải, nhưng chỉ có Bộ khuếch đại Tiếng ồn và Rg là quan trọng. Rg là 10,01 Ohms xuống đất, thiết lập mức tăng 60dB của Bộ đệm tăng tốc đệm. Một lần nữa, Rnoise của opamp đầu tiên là 62_ohms, hoặc 1.0nv / rtHz.