Amplificando um sinal nV através de uma pequena resistência

Estou interessado na viabilidade de amplificar / medir um nível de nV (ou de outra forma assumido muito pequeno) através de uma pequena resistência.

O SNR desse sinal não é tão ruim por causa do ruído térmico muito pequeno, devido ao pequeno valor da resistência. Minha principal preocupação é que os amplificadores de baixo ruído disponíveis comercialmente pareçam inevitavelmente adicionar ruído de entrada no nível de alguns nV por raiz quadrada de hertz, obviamente inundando o sinal.

Tenho outra opção? Eu estava pensando que, devido à pequena resistência, talvez eu não precisasse de um amplificador com uma resistência de entrada tão alta, o que poderia causar parcialmente o ruído? Não tenho certeza.

O espectro de interesse é importante: alguns dispositivos de amplificação muito bons possuem ruído extra alto em frequências abaixo de 10Hz.

Vale a pena considerar duas opções: a primeira são os transistores bipolares, que proporcionam ganhos úteis antes do segundo estágio do opamp.

Por que não ir direto para um opamp? Eles são muito barulhentos, muito poucos têm tensão de ruído de entrada abaixo de 1 nV / rtHz, e você quer fazer melhor que isso.

Os transistores PNP são os preferidos, graças à menor resistência ao espalhamento da base. Um exemplo com boa reputação há alguns anos foi o 2SC2547, folha de dados ainda disponível aqui ...

Observando os contornos do ruído constante, consulte a página 6, que plota os contornos de 2dB e 4dB de maneira útil, mas não o 3dB mais útil, para que você precise interpolar entre eles. Mas o gráfico de 1 kHz mostra um mínimo de ruído em Ic = 10mA, com a figura de ruído 3dB com uma resistência de fonte entre 10 e 20 ohms - chame-o de 15 ohms.

Isso implica que esse transistor, em Ic = 10mA, pode ser tão barulhento quanto um resistor de 15 ohm - igual ou superior a 1 kHz. As curvas de nota para 120Hz e 10Hz permitem escolher um ponto de trabalho diferente se frequências mais baixas forem importantes.

O ruído de Johnson (do Wiki) pode ser calculado como

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

Portanto, 0,9nV nV / rtHz seria o ruído de um resistor de 48 ohm, enquanto esse transistor (ou um resistor de 15 ohm) daria 0,5 nV / rtHz.

Eu o usei nos estágios de entrada do amplificador de microfone, em uma configuração típica de entrada de amplificador de microfone (par de cauda longa, fonte de corrente alimentando os dois emissores, 470R ou 1K em cada coletor {alimentando um opamp, e faz o que diz na lata.

Transistores PNP menos exóticos, como o humilde BC214 ou mais recente, também podem se sair razoavelmente bem.

A segunda opção, se o espectro de interesse não incluir CC, é um transformador intensivo para combinar a impedância da fonte com a impedância do ruído do amplificador escolhido.

Por exemplo, se você escolher o NE5534A com 3,5nV / rtHz, ou uma impedância de ruído de 700 ohms, e sua impedância de fonte for de 1 ohm, será necessária uma taxa de transformação de impedância de 1: 700 ou uma taxa de transformação de tensão (taxa de espiras) de 1:26 (sqrt (700).

A resistência primária do transformador é uma fonte de ruído, é claro: deve ser relativamente poucas voltas e fio de grande diâmetro, para manter a resistência (e, portanto, o ruído) baixa. A resistência secundária também importa, embora seu ruído seja adicionado à tensão secundária aumentada.

A correspondência de impedância de ruído permite obter o melhor desempenho de qualquer amplificador que você escolher.

Os amplificadores de entrada FET não sofrem as mesmas fontes de ruído que os resistores, e é assim que eles ainda podem ter ruído <100nVpp com resistências de entrada no faixa de tera ohm.

Os dispositivos analógicos produzem um ADC de "32" com pré-amplificador com ruído de entrada <100nVpp; você pode obter uma média de muitas amostras para tentar melhorar o nível de ruído (5sps por uma hora deve fornecer alguns bits extras de dados "sem ruído" )

Quanto aos opamps gerais, o AD8000 opamp possui apenas ~ 20nVpp de ruído entre 0,1 - 10Hz, que é ruído pico a pico , não raiz-Hz.

Existe uma empresa britânica que fabrica picovoltímetros aparentemente não supercondutores ! Eles podem ter algo útil.

Caso contrário, veja se você pode emprestar o amplificador de bloqueio de alguém. Mas usar um desses NÃO é para fingir de coração.

Lembre-se, não importa o que você esteja fazendo, quase sempre há outra maneira , não necessariamente uma maneira melhor , mas você geralmente tem opções. O truque é encontrá-los.

Não é óbvio para mim que 'alguns' nV / sqrt Hz de ruído enchem seu sinal, pois você não disse nada sobre largura de banda. Se sua largura de banda for muito baixa, talvez não haja um problema. Observe que a largura de banda não é a frequência máxima.

Observe que o ruído mencionado em nV / sqrt Hz está acima da frequência de canto 1 / f e se sua frequência for baixa, você também poderá ter uma contribuição significativa do ruído 1 / f. Os amplificadores Chopper têm muito menos ruído de 1 / f, mas geralmente sofrem de um ruído branco relativamente alto.

Um amplificador de encaixe, uma peça padrão do kit em muitos laboratórios, tem efetivamente uma largura de banda muito baixa devido à desmodulação síncrona. Ao modular e desmodular, em algumas circunstâncias, você pode operar na região de ruído branco do seu amplificador (constante nV / sqrt Hz) e não na extremidade inferior.

Se o sinal estiver acima de algumas dezenas de Hz e a impedância da fonte baixa, você poderá obter um impulso usando um simples transformador de avanço na entrada. Haverá uma contribuição de ruído Johnson-Nyquist da resistência do enrolamento, é claro. O transformador com taxa de rotação de 1: n diminui a impedância em 1 / sqrt (n) e o ruído em 1 / n, idealmente.

Também é possível construir um amplificador de ruído arbitrariamente baixo simplesmente comparando os amplificadores de baixo ruído e somando as saídas. A impedância de entrada diminui com 1 / n e o ruído não correlacionado diminui com 1 / sqrt (n); portanto, 100 amplificadores em paralelo teriam 1/100 da impedância de entrada e (idealmente) 1/10 do ruído.

Se houver um criostato de hélio líquido e alguns SQUIDs DC disponíveis, você poderá obter níveis de ruído muito mais baixos, mas seu orçamento não pagará por um único cabo e muito menos pela configuração.

Este circuito possui ganho de 60dB a 1KHz, subindo para 86dB abaixo de 50Hz. Piso de ruído <1nV / rtHz.

Considere um pré-amplificador NJFET, com bloqueio de DC inerente porque o pré-amplificador é compensado por RIAA e o wow / flutter da plataforma giratória deve ser rejeitado. Este circuito, do site diyAudio.com (o fórum é "Simplistic NJFET RIAA"), fornece ganho de 60dB, destinado a converter 250 microVolts em 0,25 volts. O SNR para 250microVolts, a saída de um cartucho MovingCoil, será impressionante; os construtores de casas desses circuitos (dezenas foram construídas) falam de "a música chega até você em silêncio absoluto - sem assobios, zumbidos ou zumbidos, mesmo com o ganho do amplificador de potência no máximo".

Dada a total falta de PowerSupplyRejection (observe que o conjunto de ganho R1 e o conjunto de ganho R10 estão vinculados ao trilho de 45 volts, embora com C5 e C6 para o segundo estágio de ganho e buffer de saída) para o primeiro estágio de ganho (NJFETS duplo com cascata bipolar Q3 para eliminar Miller efeito), você precisará usar o regulador SHUNT apropriado:

O desenvolvedor dos circuitos "salas" também é um dos moderadores do diyAudio, e provavelmente ficará divertido se você aparecer e perguntar sobre o uso dos circuitos para outros sensores que não o MovingCoils. O 2SK170 tem densidade de ruído bem abaixo de 1nanoVolt / rtHz; algumas pessoas usam 2 em paralelo; algumas pessoas optam por 4 em paralelo, talvez com alguns ohms nas fontes FET para incentivar o compartilhamento de corrente mais igual, embora uma grande parte desse fórum discuta a medição e classificação do NJFET para o nível de correspondência de 1% (1/10 ma de 10 ou 15mA).

Os pesquisadores escrevem que estão satisfeitos com a MovingCoils na faixa de 2 a 10 ohm; os sensores MC de 6 Ohm seriam 1nV / sqrt (10) ou 0,316nV / rtHz. É necessária uma infraestrutura substancial para usar esses sensores de baixo ruído; Aqui está um exemplo físico:

Observe que o transformador de potência de 50Hz (a maioria dos construtores está na Europa) e os retificadores e a primeira filtragem CLC são uma CAIXA REMOTA, com cabos de um metro de comprimento que levam os 55 volts à caixa de canal LeftRight em primeiro plano, com o Regulador de derivação na extrema esquerda / right e o RIAA real (observe os enormes capacitores de filme preto, para cores musicais mínimas da compressão dielétrica) Pré-amplificadores no meio. Observe as pesadas caixas de alumínio. O fundo também é o dissipador de calor para os reguladores de derivação. Isso pode ser alumínio ou aço? Eu não sei.

editar Seu objetivo é a medição precisa de 1 nanoVolt. De um Zsource muito baixo. Você precisará executar alguns fios do "shunt do sensor" ao PreAmplifier. Esses fios são caminhos candidatos para todo tipo de lixo. Cada bit de energia de 60Hz, de 120Hz, por metros ao redor, explorará esses fios para obter uma condutividade útil. E esses tijolos pretos, alternando regs, também precisam de caminhos de retorno.

Examine o isolamento de uma plataforma giratória e cartucho. A blindagem, o uso de um 5º fio (além de 4 fios dos sensores de canal LeftRight). Você precisa minimizar o uso desses fios 4 + 1 para energia estranha. A distância pode ser seu único amigo. No entanto, há esperança. Aqui está uma foto do transformador de potência "pista de corrida", o método premiado para o melhor isolamento de Efield entre 117VAC / 220VAC e o DC bruto corrigido (antes de entrar no ShuntReg):

Observe que o primário e o secundário estão em formas de bobina separadas, minimizando o acoplamento capacitivo do lixo da linha de energia no pré-amplificador, que exige um caminho de retorno de volta ao solo terrestre fora do edifício, com os fios do sensor como parte do processo. os caminhos explorados.

Em alta frequência, use o transformador (bobinas de núcleo de ar) para combater esse problema de baixa tensão. Como amplificadores, usam triodos, eles têm baixo ruído. Use papel de metal ou resistências enroladas em fio e tente mantê-las em baixa temperatura.

Se o sinal for CA e banda estreita, por que não usar um transformador sintonizado para elevar a tensão a um nível razoável em que as técnicas normais funcionem?

O transformador possui baixo DCR e, portanto, baixo ruído térmico. Se estiver bem protegido, será de grande benefício.

Aqui está um design do OpAmp, usando 1 OpAmps de densidade de ruído nanoVolt, em Avcl = 60dB e 100dB; o estágio 1 é acoplado à CC, para evitar capacitores enormes (vulneráveis ​​à interferência de Efield); o estágio 2 é bloqueado por CC na rede de ganho definido; por diversão, incluí 10 milivolts de interferência do PowerSupply em cada OpAmp. Resultado? o SNR é -70dB. Vout tem 29milliVolts; o ruído térmico é de 1 volt; o ruído da fonte de alimentação é de 93 volts. [Sem ondulação da fonte de alimentação, o SNR é de -31,5 dB]

E aqui está o motivo pelo qual o lixo do PowerSupply chega com tanta força: o OpAmp PSRR tem apenas 80dB (valores padrão) E os LsRsCs no OpAmp VDD não têm impacto na ondulação 60/120 (os Caps precisam ser muito maiores e a série Rs em 10X maior).

Agora adicione o benefício de um Lockon Amplifer: modelado como passa banda de 25Hertz, com Q = 100. O SNR melhora (com entrada 1nanoVoltPP) de -30dB a -5dB. Note, no canto superior direito, cliquei em "Gárgulas" e "PSI". Observe também que, abaixo das janelas SNR / ENOB, defino o valor FOI FrequencyOfInterest como exatamente 25Hz, necessário por causa do filtro highQ. E usei o estágio LowPass Filter LRC, para que eu pudesse colocar a ressonância LC exatamente a 25.00Hz, usando a planilha; em Q = 100 isso é necessário.

Aqui está o gráfico de ruído, cobrindo 24 a 26Hz. Observe as muitas fontes de ruído listadas no lado direito, mas apenas o ruído do amplificador e o Rg são importantes. Rg é os 10,01 Ohms ao terra, configurando o ganho de 60dB desse seguidor de ganho em buffer. Novamente, o Rnoise do primeiro opamp é 62_ohms, ou 1.0nv / rtHz.