Cómo evitar el ruido Johnson en el amplificador de alta impedancia de entrada

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No tengo un circuito en el que estoy trabajando, esta es más una pregunta teórica: estoy tratando de remediar una falla en mi comprensión.

Imagine que quiero construir un amplificador de alta impedancia de entrada para trabajar en el rango bajo de mV, con unos pocos ruidos nV / √Hz. Quiero amplificar una señal diferencial de 1-100KHz. Inicialmente, comenzaría con un amplificador de instrumentación de buena calidad (por ejemplo, AD8421 ) y simplemente pondría condensadores en serie con ambas entradas.

Pero eso tiene un problema. No hay una ruta de CC a tierra en la entrada, por lo que probablemente se alejará lentamente y rastreará la salida. Entonces necesito agregar una resistencia a tierra en cada entrada. Vea el primer circuito en el diagrama a continuación. Esa resistencia establecerá la impedancia de entrada de mi amplificador, que quiero ser de aproximadamente 100MΩ. Pero si calculo el ruido Johnson que espero de dos resistencias de 100MΩ obtengo2×4 4ksiTR ≈ 1.7 μV / √Hz

Entonces llegué a la conclusión de que podía tener poco ruido o alta impedancia, pero no ambas. Luego encontré un preamplificador de entrada comercial que se especifica con un ruido de entrada de 3.6 nV / √Hz y una impedancia de entrada de 100MΩ. Eché un vistazo al interior y parece que usan el circuito de la derecha.

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Los dos FET en el lado derecho son un par coincidente ( hoja de datos de google ) y forman la primera etapa del amplificador. Ya no realicé ingeniería inversa del circuito, pero puedo si es necesario.

Entonces mi pregunta es: ¿Qué hay de malo en mi comprensión? ¿Por qué el segundo circuito no tiene un ruido blanco de 1-2 μV / √Hz de las resistencias?

Jack B
fuente
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La resistencia térmica y la corriente de ruido también dependen del material, por lo que siempre se prefiere la película metálica sobre la película de carbono en valores R altos y se prefiere la corriente de polarización de entrada más baja para los amplificadores
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
Estoy de acuerdo con eso, nota que estas contribuciones de ruido vienen en la parte superior de la 4KTR teórico. Una resistencia ideal (las que no puede comprar) tendrá un ruido 4KTR, las resistencias reales siempre tendrán más ruido.
Bimpelrekkie
Por lo general, está dominado por la impedancia de la fuente a menos que esté midiendo desde una fuente de Z alta. Luego debe evaluar el modo común Zdm y Zcm por separado con CMRR
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

Respuestas:

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El problema en su razonamiento es que no muestra la ruta completa de la señal. Más específico el nivel de impedancia de la señal.

Tiene razón en que no puede tener tanto una alta impedancia como un bajo nivel de ruido. Si desea un bajo nivel de ruido, debe mantener baja la impedancia. Simple como eso.

En los dos circuitos que ha dibujado no está claro cuál es la impedancia de la fuente que utiliza para alimentar una señal a su amplificador. Suponiendo que los condensadores de acoplamiento de CA son grandes y que la impedancia de esta fuente es baja (por ejemplo: 50 ohmios), ¡entonces el ruido será bajo!

Por qué ? Debido a que el ruido generado por las resistencias de polarización de 100 Mohm DC será acortado por los condensadores de acoplamiento de CA y esa baja impedancia de fuente. Entonces, en esta situación, la impedancia efectiva de la señal (a cierta frecuencia) es mucho menor que 100 Mohm. Resultando en un bajo ruido.

Si la impedancia de la fuente de 50 ohmios no estuviera allí, esa corriente de ruido se multiplicaría por los 100 Mohm de la resistencia misma, lo que daría como resultado un alto nivel de ruido.

Puede hacer cálculos sobre esto más fácilmente considerando la corriente de ruido generada por las resistencias de 100 Mohm. ¡Esa corriente se multiplicará por la impedancia de la fuente de la señal (por ejemplo, 50 ohmios), dando como resultado un pequeño voltaje de ruido!

Entonces, el circuito de la derecha no es mejor que el circuito de la izquierda. Lea atentamente cómo midieron ese bajo ruido e intente averiguar cuál era el nivel de impedancia de la señal de entrada. Le garantizo que habrán utilizado una impedancia de fuente tal que el ruido de las resistencias de polarización de 100 Mohm DC puede ser descuidado (una impedancia de fuente muy baja, ¡incluso podrían haber acortado / conectado a tierra las entradas!). En ese circuito, el ruido de los FET debe ser dominante, ya que estos deben determinar el nivel de ruido más bajo posible (al menos en un amplificador diseñado adecuadamente).

Bimpelrekkie
fuente
¡Ajá! Sí, eso tiene sentido. Entonces, si uso el amplificador comercial en una fuente <600Ω, veré el ruido nominal. Si lo uso con una fuente resistiva de 10MΩ, veré el ruido de Johnson por aproximadamente 10MΩ (obviamente). Y si lo uso con una fuente capacitiva equivalente de 10MΩ, aún veré los niveles de ruido más altos. ¿Estoy en lo correcto?
Jack B
Sí, lo es, es simplemente el nivel de impedancia a esa frecuencia. Con una fuente de 10 MΩ, verá un nivel de ruido correspondiente a 10 MΩ. Tenga en cuenta la impedancia de los condensadores, etc., ya que influyen en el ruido.
Bimpelrekkie
Una pregunta de seguimiento si puedo: ¿es este un límite fundamental, o podría (hipotéticamente, es decir, no valdrá la pena en un sistema real) encontrar una forma de evitarlo? Por ejemplo, utilizando un inductor enorme en lugar de la resistencia, u omitiendo la resistencia y ocasionalmente cerrando un relé para hacer un camino a tierra y descargar las tapas de acoplamiento de CA.
Jack B
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De hecho, si puede polarizar un circuito utilizando elementos (prácticamente) silenciosos como inductores. Para circuitos RF (radiofrecuencia) es muy común aplicar polarización a través de un inductor. O cree un voltaje de polarización utilizando resistencias ruidosas, atenúe (filtre) ese ruido con un condensador grande y aplique a través de un inductor. Donde el inductor tendrá una alta impedancia a la frecuencia de la señal.
Bimpelrekkie
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Recuerde que está conectando este amplificador a una fuente de señal, por lo que esta impedancia de 200M está en paralelo con la impedancia de la fuente.

Mida el ruido del amplificador con el circuito abierto de entrada y verá su ruido predicho. (más una contribución de cualquier campo eléctrico en la entrada; es posible que necesite una evaluación para medir esto correctamente)

Mida el ruido del amplificador con la entrada en cortocircuito y verá el ruido inherente del amplificador.

Mida el ruido del amplificador con la impedancia de fuente real a la que estará conectado y verá el ruido inherente del amplificador. La relación entre esto y el ruido de la impedancia de la fuente es la "figura de ruido" del amplificador.

Con una resistencia de fuente de 10Megohm (pata a pata) verá el ruido Johnson de 2 resistencias en paralelo: 10Meg y 200 Meg, por lo que puede ver 0.5dB menos ruido que una resistencia de 10Meg solo (pero ha atenuado la señal de la misma manera) fracción también)

Con una fuente capacitiva, como una cápsula de micrófono de 30pf, la impedancia de la fuente es una red RC paralela, así que trate el ruido Johnson como el voltaje de ruido de 200M, atenuado por una impedancia de fuente de 200M en un condensador de 30pF. Será nominalmente plano hasta la frecuencia de -3dB, luego se reducirá en 6dB / octava.

Brian Drummond
fuente