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

Question

No tengo un circuito en el que esté trabajando, esto es más una pregunta teórica - estoy tratando de remediar un fallo en mi comprensión.

Imagina que quiero construir un amplificador de alta impedancia de entrada para trabajar en el rango de los mV bajos, con unos pocos nV/√Hz de ruido. Quiero amplificar una señal diferencial de 1-100KHz. Inicialmente, empezaría con un amplificador de instrumentación de buena calidad (por ejemplo AD8421 ) y simplemente poner 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 desviará lentamente y hará que la salida sea un raíl. Así que tengo que añadir una resistencia a tierra en cada entrada. Ver el primer circuito en el diagrama de abajo. Esa resistencia fijará la impedancia de entrada de mi amplificador, que quiero que sea de unos 100MΩ. Pero si calculo el ruido Johnson que espero de dos resistencias de 100MΩ obtengo \$\sqrt{2} \times \sqrt{4k_BTR}\$ ≈ 1,7 μV/√Hz

Así que llegué a la conclusión de que podía tener bajo ruido o alta impedancia, pero no ambos. Entonces encontré un preamplificador de entrada comercial que está especificado 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 utilizan el circuito de la derecha.

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Los dos FET del lado derecho son un par emparejado ( hoja de datos de google ), y forman la primera etapa del amplificador. No he hecho más ingeniería inversa del circuito, pero puedo hacerlo si es necesario.

Así que mi pregunta es: ¿Qué es lo que no entiendo? Por qué el segundo circuito no tiene alrededor de 1-2μV/√Hz de ruido blanco de las resistencias?

Answer 1

El problema en tu razonamiento es que no muestras el recorrido completo de la señal. Más concretamente el nivel de impedancia de la señal.

Tienes razón en que no puedes tener tanto una alta impedancia como un bajo ruido. Si quiere un ruido bajo, debe debe mantener la impedancia baja. Así de simple.

En los dos circuitos que has dibujado no está claro cuál es la impedancia de la fuente que utilizas para alimentar una señal a tu amplificador. Suponiendo que los condensadores de acoplamiento de CA sean grandes y que la impedancia de esta fuente sea baja (por ejemplo: 50 ohmios), el ruido será bajo.

¿Por qué? Porque el ruido generado por las resistencias de polarización de 100 Mohm DC será cortocircuito por los condensadores de acoplamiento de CA y esa baja impedancia de la fuente. Así que en esta situación la impedancia efectiva de la señal (a una determinada frecuencia) es muy inferior a 100 Mohm. El resultado es un ruido bajo.

Si no existiera la impedancia de la fuente de 50 ohmios, esa corriente de ruido se multiplicaría por los 100 Mohm de la propia resistencia, lo que daría lugar a un alto nivel de ruido.

Puedes 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 una pequeña tensión de ruido !

Así que el circuito de la derecha no es mejor que el de la izquierda. Lee detenidamente cómo midieron ese bajo ruido e intenta averiguar cuál era el nivel de impedancia de la señal de entrada. Te garantizo que habrán utilizado una impedancia de fuente tal que el ruido de las resistencias de polarización de 100 Mohm DC puede ser despreciado (una impedancia de fuente muy baja, ¡incluso podrían haber cortocircuitado/conectado a tierra las entradas!) En ese circuito el ruido de los FETs debería ser dominante ya que estos deberían determinar el nivel de ruido más bajo posible (al menos en un amplificador correctamente diseñado).

Answer 2

Recuerda que estás conectando este amplificador a una fuente de señal, por lo que esta impedancia de 200M está en paralelo con la impedancia de la fuente.

Mide el ruido del amplificador con la entrada en circuito abierto y verás el ruido previsto. (más una contribución de cualquier campo eléctrico en la entrada; es posible que necesite un apantallamiento para medirlo correctamente)

Mide el ruido del amplificador con la entrada en cortocircuito y verás el ruido propio del amplificador.

Mide el ruido del amplificador con la impedancia real de la fuente a la que se va a conectar y verás el ruido propio del amplificador. La relación entre este ruido y el de la impedancia de la fuente es la "figura de ruido" del amplificador.

Con una resistencia de fuente de 10Megohm (pata a pata) verás el ruido Johnson de 2 resistencias en paralelo - 10Meg y 200 Meg, por lo que puedes ver 0,5dB menos de ruido que con una resistencia de 10Meg sola (pero también has atenuado la señal en la misma fracción)

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