Amplificando una señal nV a través de una pequeña resistencia

Estoy interesado en la factibilidad de amplificar / medir una señal de nivel de nV (o asumido de otra manera muy pequeña) a través de una pequeña resistencia.

La SNR de esta señal no es tan mala en sí misma debido al muy pequeño ruido térmico, debido al pequeño valor de la resistencia. Mi principal preocupación es que los amplificadores de bajo ruido disponibles comercialmente parecen agregar inevitablemente ruido de entrada en el nivel de unos pocos nV por hertz raíz cuadrada, obviamente inundando la señal.

¿Tengo alguna otra opción? Estaba pensando que debido a la pequeña resistencia, ¿podría no necesitar un amplificador con una resistencia de entrada tan alta, que podría causar en parte el ruido? No estoy seguro.

El espectro de interés es importante: algunos dispositivos amplificadores muy buenos tienen un ruido extra alto a frecuencias inferiores a 10Hz.

Vale la pena considerar dos opciones: la primera son los transistores bipolares para proporcionar una ganancia útil antes de una segunda etapa opamp.

¿Por qué no ir directamente a un opamp? Son bastante ruidosos, muy pocos tienen un voltaje de ruido de entrada por debajo de 1 nV / rtHz, y desea hacerlo mejor que eso.

Se prefieren los transistores PNP, gracias a su menor resistencia a la dispersión de la base. Un ejemplo con buena reputación hace algunos años fue el 2SC2547, la hoja de datos todavía disponible aquí ...

Mirando los contornos de la figura de ruido constante en la página 6, que ayudan a trazar contornos de 2dB y 4dB, pero no los 3dB más útiles, por lo que debe interpolar entre ellos. Pero el gráfico de 1 kHz muestra un mínimo en el ruido a Ic = 10 mA, con una figura de ruido 3dB con una resistencia de fuente entre 10 y 20 ohmios, llámelo 15 ohmios.

Eso implica que este transistor, a Ic = 10 mA, puede ser tan ruidoso como una resistencia de 15 ohmios, a 1 kHz o más. Las curvas de nota para 120Hz y 10Hz le permiten elegir un punto de trabajo diferente si las frecuencias más bajas son importantes.

El ruido Johnson (de Wiki) se puede calcular como

0.13 * sqrt (R) nV / rtHz.

Entonces, 0.9nV nV / rtHz sería el ruido de una resistencia de 48 ohmios, mientras que este transistor (o una resistencia de 15 ohmios) daría 0.5 nV / rtHz.

Lo he usado en etapas de entrada de amplificador de micrófono, en una configuración típica de entrada de amplificador de micrófono (par de cola larga, fuente de corriente que alimenta ambos emisores, 470R o 1K en cada colector {alimentando un opamp, y hace lo que dice en la lata.

Los transistores PNP menos exóticos como el humilde BC214 o más reciente también pueden funcionar razonablemente bien.

La segunda opción, si el espectro de interés no incluye CC, es un transformador elevador para hacer coincidir la impedancia de su fuente con la impedancia de ruido de su amplificador elegido.

Por ejemplo, si elige el NE5534A con 3.5nV / rtHz, o una impedancia de ruido de 700 ohmios, y la impedancia de su fuente es 1 ohmio, necesita una relación de transformación de impedancia de 1: 700, o una relación de transformación de voltaje (relación de vueltas) de 1:26 (pies cuadrados (700).

La resistencia primaria del transformador es una fuente de ruido, por supuesto: debe ser relativamente pocas vueltas y un cable de gran diámetro para mantener baja la resistencia (y, por lo tanto, el ruido). La resistencia secundaria también es importante, aunque su ruido se agrega encima del voltaje secundario intensificado.

La adaptación de impedancia de ruido le permite obtener el mejor rendimiento de cualquier amplificador que elija.

Los amplificadores de entrada FET no sufren las mismas fuentes de ruido que las resistencias, que es la forma en que aún pueden tener un ruido <100 nVpp con resistencias de entrada en el rango de tera ohmios.

Los dispositivos analógicos hacen un ADC de "32" bits con preamplificador con ruido de entrada de <100nVpp, puede promediar muchas muestras para tratar de mejorar el ruido de fondo (5sps durante una hora debería proporcionarle un par de bits adicionales de datos "sin ruido" )

En cuanto a los opamps generales, el opamp AD8000 solo tiene un ruido de ~ 20nVpp entre 0.1 - 10Hz, eso es ruido de pico a pico , no raíz-Hz.

¡Hay una compañía británica que fabrica picovoltímetros aparentemente no superconductores ! Pueden tener algo útil.

De lo contrario, vea si puede pedir prestado el amplificador de bloqueo de alguien. Pero usar uno de estos NO es para la finta de corazón.

Recuerde, no importa lo que esté haciendo, casi siempre hay otra forma , no necesariamente una mejor , pero generalmente tiene opciones. El truco es encontrarlos.

Para mí no es obvio en absoluto que "unos pocos" nV / sqrt Hz de ruido inundan su señal ya que no han dicho nada sobre el ancho de banda. Si su ancho de banda es muy bajo, entonces puede que no haya ningún problema. Tenga en cuenta que es el ancho de banda, no la frecuencia máxima.

Tenga en cuenta que el ruido nV / sqrt Hz citado está por encima de la frecuencia de esquina 1 / f y si su frecuencia es baja, entonces también puede tener una contribución significativa del ruido 1 / f. Los amplificadores Chopper tienen mucho menos ruido 1 / f, pero a menudo sufren un ruido blanco relativamente alto.

Un amplificador de bloqueo, una pieza estándar del kit en muchos laboratorios, efectivamente tiene un ancho de banda muy bajo debido a la demodulación síncrona. Al modular y desmodular, en algunas circunstancias, puede operar en la región de ruido blanco de su amplificador (constante nV / sqrt Hz) en lugar de en el extremo inferior.

Si la señal está por encima de algunas decenas de Hz y la impedancia de la fuente es baja, puede obtener un impulso utilizando un transformador elevador simple en la entrada. Habrá una contribución de ruido Johnson-Nyquist de la resistencia del devanado, por supuesto. El transformador con relación de vueltas 1: n disminuye la impedancia en 1 / sqrt (n) y disminuye el ruido en 1 / n, idealmente.

También es posible construir un amplificador arbitrariamente de bajo ruido simplemente en paralelo 'n' amplificadores de bajo ruido y sumando las salidas. La impedancia de entrada disminuye con 1 / ny el ruido no correlacionado disminuye con 1 / sqrt (n), por lo que 100 amplificadores en paralelo tendrían 1/100 de la impedancia de entrada y (idealmente) 1/10 del ruido.

Si tiene un criostato de helio líquido y algunos DC SQUID disponibles, puede obtener niveles de ruido mucho más bajos, pero su presupuesto no pagará ni un solo cable, y mucho menos la configuración.

Este circuito tiene una ganancia de 60dB a 1KHz, llegando a 86dB por debajo de 50Hz. Nivel de ruido <1nV / rtHz.

Considere un preamplificador NJFET, con DC_blocking inherente porque el preamplificador está compensado por RIAA y se debe rechazar el wow / flutter de la plataforma giratoria. Este circuito, del sitio web diyAudio.com (el foro es "Simplistic NJFET RIAA"), proporciona una ganancia de 60dB, destinada a convertir 250 microvoltios en 0.25 voltios. La SNR para 250 microvoltios, la salida de un cartucho MovingCoil, será impresionante; Los constructores de estos circuitos (se han construido docenas) hablan de "la música viene de la tranquilidad absoluta, sin silbidos, zumbidos o zumbidos, incluso con la ganancia del amplificador de potencia al máximo".

Dada la falta total de PowerSupplyRejection (tenga en cuenta que el conjunto de ganancia R1 y el conjunto de ganancia R10 están vinculados al riel de 45 voltios, aunque con C5 y C6 para la segunda etapa de ganancia y el búfer de salida) para la primera etapa de ganancia (NJFETS dobles con cascada bipolar Q3 para eliminar Miller efecto), deberá usar el regulador SHUNT apropiado:

El desarrollador de los circuitos "salas" también es uno de los moderadores de diyAudio, y probablemente se divertirá si pasa y pregunta sobre el uso de los circuitos para sensores que no sean MovingCoils. El 2SK170 tiene una densidad de ruido muy inferior a 1nanoVolt / rtHz; algunas personas usan 2 en paralelo; algunas personas van por 4 en paralelo, tal vez con unos pocos ohmios en las fuentes de FET para alentar un intercambio de corriente más igualitario a pesar de que una gran parte de ese foro discute la medición y clasificación de NJFET al nivel de coincidencia del 1% (1 / 10ma de 10 o 15 mA).

Los experimentadores escriben que están satisfechos con MovingCoils en el rango de 2 ohmios a 10 ohmios; los sensores MC de 6 ohmios serían 1nV / sqrt (10) o 0.316nV / rtHz. Se requiere una infraestructura sustancial para usar tales sensores de bajo ruido; Aquí hay uno de esos ejemplos físicos:

Tenga en cuenta el transformador de potencia de 50Hz (la mayoría de los constructores están en Europa) y los rectificadores y el primer filtro CLC es una CAJA REMOTA, con cables de un metro de longitud que llevan los 55 voltios a la caja del canal LeftRight en primer plano, con el regulador de derivación en el extremo izquierdo / derecha y el RIAA real (tenga en cuenta los enormes condensadores de película negra, para una coloración musical mínima de compresión dieléctrica) Preamplificadores en el medio. Tenga en cuenta las pesadas cajas de aluminio. La parte inferior también es el disipador de calor para los reguladores de derivación. Que puede ser alumbre o acero? No lo sé.

editar Su objetivo es la medición precisa de 1 nanoVolt. De un Zsource muy bajo. Deberá pasar algunos cables desde la "derivación del sensor" hasta el preamplificador. Esos cables son caminos candidatos para todo tipo de basura. Cada bit de energía de 60Hz, de energía de 120Hz, para metros alrededor, explorará esos cables para una conductividad útil. Y esos ladrillos negros, que cambian las reglas, también necesitan rutas de retorno.

Examine el aislamiento de un plato giratorio y un cartucho. El blindaje, el uso de un quinto cable (además de 4 cables de los sensores del canal LeftRight). Debe minimizar el uso de esos cables 4 + 1 para energía extraña. La distancia puede ser tu único amigo. Sin embargo, hay esperanza. Aquí hay una foto del transformador de potencia "hipódromo", el método más preciado para el mejor aislamiento de Efield entre 117 VCA / 220 VCA y la CC sin procesar rectificada (antes de ingresar al ShuntReg):

Tenga en cuenta que el primario y el secundario están en formas de bobina separadas, minimizando el acoplamiento capacitivo de la basura de la línea de alimentación en el preamplificador, esa basura luego exige un camino de regreso a la tierra fuera del edificio, con los cables al sensor como una parte de Los caminos explorados.

En alta frecuencia, use un transformador (bobinas de núcleo de aire) para combatir ese problema de bajo voltaje. Como amplificadores, usan triodos, tienen poco ruido. Use papel de aluminio o resistencias enrolladas con alambre e intente mantenerlas a baja temperatura.

Si la señal es CA y banda estrecha, ¿por qué no usar un transformador sintonizado para llevar el voltaje a un nivel razonable donde las técnicas normales funcionarán?

El transformador tiene un bajo DCR y, por lo tanto, un bajo ruido térmico. Si está bien protegido, será de gran beneficio.

Aquí hay un diseño de OpAmp, que usa 1 OpAmps de densidad de ruido de nanovoltios, en Avcl = 60dB y 100dB; la etapa 1 está acoplada a CC, para evitar condensadores enormes (vulnerables a la interferencia de Efield); la etapa 2 está bloqueada por CC en la red de ganancia establecida; por diversión, he incluido 10 milivoltios de interferencia PowerSupply en cada OpAmp. ¿Resultado? El SNR es -70dB. Vout es 29milliVolts; el ruido térmico es de 1 voltio; El ruido de la fuente de alimentación es de 93 voltios. [Sin ondulación de la fuente de alimentación, SNR es -31.5 dB]

Y esta es la razón por la cual la basura de PowerSupply se presenta con tanta fuerza: el PSRR de OpAmp es solo 80dB (valores predeterminados) Y los LsRsCs en OpAmp VDD no tienen impacto en la ondulación 60/120 (los Caps deben ser mucho más grandes, y la serie Rs en al menos 10 veces más grande).

Ahora agregue el beneficio de un Lockon Amplifer: modelado como paso de banda 25Hertz, con Q = 100. El SNR mejora (con una entrada de 1nanoVoltPP) de -30dB a -5dB. Tenga en cuenta, en la parte superior derecha, hice clic en "Gárgolas" y "PSI". Tenga en cuenta también que, debajo de las ventanas SNR / ENOB, configuro el valor FOI FrequencyOfInterest exactamente a 25Hz, necesario debido al filtro highQ. Y utilicé la etapa LowPass Filter LRC, para poder colocar la resonancia LC exactamente a 25.00Hz, usando la hoja de trabajo; en Q = 100 esto es necesario.

Aquí está el gráfico de ruido, que abarca de 24 a 26Hz. Observe las muchas fuentes de ruido enumeradas en el lado derecho, pero solo el ruido del amplificador y Rg son importantes. Rg son los 10.01 ohmios a tierra, estableciendo la ganancia de 60dB de ese seguidor de ganancia amortiguada. Nuevamente, el ruido de la primera opamp es 62_ohms, o 1.0nv / rtHz.