Amplificar una señal de nV a través de una pequeña resistencia

Question

Estoy interesado en la viabilidad de amplificación/medición de un nV nivel (o de lo contrario supone muy pequeña) de la señal a través de una pequeña resistencia.

El SNR de la señal no es tan mala en sí misma, porque de lo muy pequeño ruido térmico, debido al pequeño valor de la resistencia. Mi principal preocupación es que comercialmente disponibles bajo nivel de ruido de los amplificadores parecen inevitablemente agregar ruido de entrada en el nivel de un par de nV por la raíz cuadrada de hertz, obviamente inundar de la señal.

¿Tengo alguna otra opción? Yo estaba pensando que, debido a la pequeña resistencia, puede que no necesite un amplificador con una entrada de alta resistencia, lo que podría en parte a causa del ruido? No estoy seguro.

Answer 1

El espectro de interés es importante : algunos lo demás, muy buena la amplificación de los dispositivos de extra alto nivel de ruido en las frecuencias por debajo de 10 hz.

Hay dos opciones que vale la pena considerar : la primera es la de los transistores bipolares para proporcionar útiles ganancia antes de un amplificador operacional de la segunda etapa.

¿Por qué no ir directamente a un amplificador operacional? Son bastante ruidoso, muy pocos han ruido de entrada de voltaje por debajo de 1 nV/rtHz, y quiere hacerlo mejor que eso.

PNP transistores son los preferidos, gracias a su base inferior de la propagación de la resistencia. Un ejemplo con una buena reputación hace algunos años fue el 2SC2547, hoja de datos disponible todavía aquí...

Mirando los contornos de ruido constante de la figura en la página 6, que amablemente parcela 2dB y 4dB contornos, pero no el más útil 3dB, por lo tanto usted tiene que interpolar entre ellos. Pero el 1 kHz gráfico muestra un mínimo en el ruido en Ic=10 ma, con 3 db figura de ruido con una resistencia de fuente entre 10 y 20 ohmios - de la llamada es de 15 ohmios.

Que implica que este transistor, en Ic=10 ma, puede ser tan ruidoso como un 15 ohmios - en o por encima de 1 kHz. Nota curvas de 120 hz y 10 hz, le permiten elegir un diferente punto de trabajo si las frecuencias más bajas son importantes.

Johnson ruido ( de la Wiki) se puede calcular como

0.13 * sqrt(R) nV/rtHz.

Así, el 0,9 nV nV/rtHz sería el ruido de un 48 ohmios, mientras que este transistor (o un 15 ohmios) daría 0.5 nV/rtHz.

Lo he utilizado en amplificador de micrófono entrada de etapas, en un típico amplificador de micrófono de configuración de entrada (larga cola par, corriente de la fuente de alimentación de ambos emisores, 470R o 1K en cada colector{ la alimentación de un amplificador operacional, y hace lo que dice en la lata.

Menos exóticos PNP transistores como el humilde BC214 o más reciente puede hacer razonablemente bien.

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La segunda opción, si el espectro de interés no incluye DC, es un paso transformador para que coincida con su impedancia de la fuente de ruido impedancia de amplificador elegido.

Por ejemplo, si usted elige el NE5534A con 3.5 nV/rtHz, o un ruido impedancia de 700 ohmios, y su impedancia de la fuente es de 1 ohm, se necesita una transformación de impedancia proporción de 1:700, o una transformación del voltaje ratio (relación de vueltas de 1:26 (sqrt(700).

El transformador principal de la resistencia es una fuente de ruido de curso : debe ser relativamente pocas vueltas, y cable de gran diámetro, para mantener la resistencia (y por lo tanto el ruido). La resistencia secundaria importa demasiado, aunque su ruido, se añade en la parte superior de la intensificado la tensión secundaria.

El ruido de igualación de impedancia permite obtener el mejor rendimiento de cualquier amplificador que usted elija.

Answer 2

FET de entrada de amperios no sufren de las mismas fuentes de ruido como resistencias, que es como se puede tener <100nVpp ruido con la entrada de las resistencias en el terarango de ohmios.

Los dispositivos analógicos hace una "32" bit ADC w/preamplificador con entrada de ruido de <100nVpp, se podría calcular el promedio de muchas de las muestras para intentar mejorar el piso de ruido (5sps durante una hora, un par de bits adicionales de "ruido" de los datos).

Como general de los opamps, el AD8000 opamp sólo ha ~20nVpp ruido entre 0,1 - 10 hz, que es el pico-a-pico de ruido, no la raíz Hz.

Hay una empresa Británica que hace que aparentemente no superconductor picovoltmeters! Que podría tener algo útil.

De lo contrario, a ver si usted puede pedir prestado a alguien del amplificador lock-in. Pero el uso de uno de estos es que NO para los débiles de corazón.

Recuerde, no importa lo que estás haciendo, casi siempre de otra manera, no necesariamente una mejor manera, pero generalmente usted tiene opciones. El truco está en la búsqueda de ellos.

Answer 3

No es obvio para mí que 'pocos' nV/sqrt Hz ruido de los pantanos de la señal, como usted ha dicho nada acerca de ancho de banda. Si su ancho de banda es muy bajo, puede que no sea un problema. Tenga en cuenta que es el ancho de banda no frecuencia máxima.

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

Un amplificador lock-in, una pieza estándar del kit en muchos laboratorios, efectivamente tiene un ancho de banda muy bajo debido a la demodulación sincrónica. Por la modulación y desmodulación, en algunas circunstancias, usted puede operar en el ruido blanco de la región 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 baja, usted puede conseguir un impulso mediante el uso de un simple paso transformador en la entrada. Habrá de Johnson-Nyquist aporte de ruido de la resistencia de bobinado, por supuesto. El transformador con 1:n relación de vueltas disminuye la impedancia en 1/sqrt(n) y disminuye el ruido 1/n, idealmente.

También es posible construir arbitrariamente un amplificador de bajo ruido, simplemente mediante la conexión en paralelo de las " n " amplificadores de bajo ruido, y sumando los resultados. La impedancia de entrada disminuye con 1/n y no disminuye el ruido 1/sqrt(n), por lo que el 100 amplificadores en paralelo habría 1/100 de la impedancia de entrada y (idealmente) 1/10 el ruido.

Si le sucede que tiene un líquido criostato de helio y algunos DC los Calamares disponibles que usted puede conseguir mucho más bajos niveles de ruido, pero su presupuesto no pagar un solo cable dejar solo el programa de instalación.

Answer 4

Este circuito tiene 60dB de ganancia a 1KHz, el aumento de 86dB por debajo de 50Hz. Piso de ruido < 1nV/rtHz.

Considere la posibilidad de un NJFET preamplificador, con DC_blocking inherente debido a que el preamplificador RIAA compensada y tocadiscos wow/flutter debe ser rechazado. Este circuito, a partir de la diyAudio.com sitio web (el foro en el mismo es "Simplista NJFET RIAA"), proporciona 60dB de ganancia, la intención de convertir 250 microvoltios en 0.25 voltios. El SNR para 250microVolts, la salida de un MovingCoil cartucho, será impresionante; la casa de los constructores de estos circuitos (decenas han sido construidos) hablan de "la música viene de la tranquilidad absoluta, - - - no hay ningún silbido o zumbido o zumbido, incluso con el Poder de ganancia del Amplificador acodado al máximo."

Dada la total falta de PowerSupplyRejection (nota de la R1 de la ganancia R10 y la ganancia están ligados a 45volt ferrocarril, aunque con C5 y C6 para la 2ª etapa de ganancia y el buffer de salida) para la primera etapa de ganancia (dual NJFETS con Q3 bipolar cascada para eliminar el efecto Miller), tendrás que usar el regulador en paralelo:

El desarrollador de los circuitos de "salas" es también uno de los moderadores para diyAudio, y probablemente va a ser divertido si se le cae por y pregunte por el uso de los circuitos de los sensores de otros que MovingCoils. El 2SK170 tiene el ruido de densidad muy por debajo de 1nanoVolt/rtHz; algunas personas usan 2 en paralelo; algunas personas van de 4 en paralelo, tal vez con un par de ohmios en la FET de las fuentes para fomentar más la igualdad de corriente de intercambio a pesar de que una amplia parte de este foro se discute NJFET de medición y clasificación a nivel del 1% de coincidencia (1/10 ma de 10 o 15mA).

Los experimentadores escribir de ser complacido con MovingCoils en el 2 ohmios a 10 ohm rango; el 6 Ohm MC sensores sería 1nV/sqrt(10) o 0.316 nV/rtHz. Una considerable infraestructura se requiere la utilización de tales bajo nivel de ruido de los sensores; aquí está uno de esos física ejemplo:

Nota la 50Hz potencia del transformador (la mayoría de los constructores están en Europa) y rectificadores y primer CLC filtrado es un servidor REMOTO, con un metro de largo cables de llevar el 55 voltios a la LeftRight canal de caja en el primer plano, con Derivación del Regulador sobre la extrema izquierda/derecha y el real de la RIAA (nota de la enorme negro de la película condensadores, para mínimo musicales para colorear de dieléctrico-compresión) Preamplificadores en el medio. Nota las pesadas cajas de aluminio. La parte inferior es también el calor de hundimiento para la Derivación de los Reguladores. Que puede ser el alumbre o el acero? No sé.

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editar Su objetivo es la medición precisa de 1 nanoVolt. A partir de una muy baja Zsource. Usted necesitará ejecutar algunos de los cables de los sensores "shunt" para el Preamplificador. Esos cables son candidatos de rutas de acceso para todo tipo de basura. Cada bit de 60Hz energía, de 120Hz de energía, por metros alrededor, explorará los cables de utilidad en la conductividad. Y los negros-ladrillos, la conmutación de regs, también necesitan devuelve caminos.

Examinar el aislamiento de un tocadiscos y un cartucho. El blindaje, el uso de una 5ª de alambre (además de los 4 cables de la LeftRight canal de sensores). Usted necesidad de reducir al mínimo el uso de los 4+1 cables de energía extraordinaria. La distancia puede ser su único amigo. Pero hay esperanza. Aquí es foto de "pista de carreras" transformador de potencia, el valioso método para la mejor Efield aislamiento entre 117VAC/220VAC y el rectificado raw DC (antes de entrar en el ShuntReg):

Nota de la primaria y secundaria están en diferentes formas de bobina, lo que minimiza el acoplamiento capacitivo de la línea de potencia de la basura en el previo, que la basura después exigir una vía de retorno a la tierra fuera del edificio, con los cables del sensor de ser una parte de los caminos explorados.

Answer 5

Si la señal es alterna y banda estrecha entonces ¿por qué no usar un transformador sintonizado para obtener la tensión hasta un nivel donde normal técnicas razonables funcionará?

El transformador tiene baja DCR y por lo tanto poco ruido termal. Si bien está protegido será de gran beneficio.