¿Cómo se puede medir nano voltios orden de las señales?

Question

Si usted tiene una caja negra que le da nanovolt de la señal en la salida, ¿cómo podría recopilar y procesar? Relación señal a ruido es muy bajo. ¿Cómo se puede filtrar el ruido? Digamos que el rango de frecuencia es de 0-80 hz en esa aplicación. Qué amplificador? ¿qué tipo de circuito? Gracias

Answer 1

Llegar a menos de 100-200nV en un rango de frecuencia desde, digamos, de 0,001 Hz a 80 hz requiere el uso de técnicas de demodulación sincrónica. La mejor monolítico op-amps (por ejemplo. LT1028) son de alrededor de 0.9 nV sqrt(Hz) voltaje de ruido solo por encima de su frecuencia de esquina por lo que alrededor de 8nV de 80 hz BW, pero su típico ruido de la frecuencia de esquina es de varios Hz, por lo que el ruido 1/f dominarán a menos que su demanda es más como 20-80 hz. El ruido de la corriente en el ruido blanco de la gama es de alrededor de 5pA/sqrt(Hz) por lo que la causa de la igualdad de contribución a 180 ohmios de impedancia de la fuente (y el 1/f esquina de ruido de la corriente es en realidad muy por encima de 80 hz normalmente, por lo que el total de ruido será mucho mayor). También hay Johnson-Nyquist de ruido en la fuente de resistencia que puede aportar cantidades significativas de ruido blanco - a temperatura ambiente una resistencia de 1000 ohms tiene sobre 137nV RMS de ruido en su 80 hz BW.

Un LT1028 sólo ha 35nVp-p típica (90nV máximo) ruido de 0.1 Hz a 10 hz, así que es posible que si usted puede relajarse en la baja frecuencia de los requisitos de ancho de banda - será aproximadamente el doble que el de 0.1 Hz a 80 hz. Que p-p no se RMS.

Si usted no puede relajarse a la baja frecuencia requisito, la mayoría de lo que usted está preocupado con la voluntad de ser llamada 'la deriva', ya que está por debajo de los 1/f frecuencia de esquina esquinas del voltaje y de la corriente de ruido del amplificador. Cero deriva monolítico amplificadores están hechas con CMOS de técnicas y tienden a tener relativamente alto de ruido a frecuencias más altas, normalmente a través de 1uV sobre el 80 hz BW, pero poco o nada de ruido 1/f. Así que de 100 200nV no es tan fácil sin un montón de ruido 1/f!

Para estos requisitos, uno de los enfoques para tratar de modular la fuente y el uso de técnicas de demodulación sincrónica (amplificar, filtrar a través de una estrecha banda, el uso de una fase sensible del detector, y el filtro de paso bajo) en la cadena de la señal. En un laboratorio, el instrumento que hace esto se llama un "amplificador lock-in", un montaje en rack de instrumentos. La idea es cambiar el ancho de banda de señal de fuera de la 1/f de dominio en el ruido blanco de la región de manera que el ruido por encima de su 80 hz de ancho de banda puede ser minimizada.

Un experto diseñador puede hacer mucho mejor que el monolítico de las partes (por lo general a un alto costo en el poder, el costo, la impedancia de entrada, la complejidad y así sucesivamente), pero aún así hay límites. Por ejemplo, si la impedancia de la fuente es lo suficientemente bajo como podemos paralelo 100 transistores en la entrada y obtener un orden de magnitud de la mejora, en teoría. Hay otros métodos de fuerza bruta, tales como la ejecución de los transistores en la corriente más alta.

Para los más extremos de los requisitos, costo y conveniencia ningún objeto, me gustaría recomendar el uso de un bajo Tc (4.2 K - Kelvin, no se K ohms) de CALAMAR. Es posible obtener mediciones de ruido en el sub nV gama, con extremo cuidado. La resistencia de los cables que salían de la criostato probablemente dominar el ruido.

Answer 2

Incluso en nanovolt niveles, y con (relativamente) baja Snr, hay muchos receptores/amplificadores que le puede dar una forma aceptable de la señal amplificada, sin introducir demasiado ruido de sus propios. Esos "pequeños amplificadores de señal" y/o "amplificadores de bajo ruido" se utiliza comúnmente en los altamente sensibles a la radio recievers.

Desafortunadamente, sin embargo, el uso de frecuencias en el 0-80hz reagion tendrá lugar la ineludible (casi) 50-60hz "de la red de energía buzz" sólidamente dentro de la frecuencia de la ventana. Con el fin de detectar esas pequeñas señales en una frecuencia ventana compartida con elefante, usted puede tener que tomar "medidas extremas."

Answer 3

Esto es posible con una calidad moderno op-amps. El 50/60Hz ruido va a ser un pequeño problema, aunque... me gustaría recomendar el uso de varias etapas de amplificador diferencial de configuración. La primera etapa puede almacenar en búfer y amplificar un poco, a continuación, crear una 50/60 Hz filtro de muesca con la ganancia si es posible en la segunda etapa.

Answer 4

Algún buen consejo de la ingeniería de aquí, pero antes de preocuparse demasiado acerca de un diseño real, usted tiene que responder a dos preguntas: "¿Qué sabe usted acerca de la señal?" y "¿Qué sabe usted sobre el ruido?" Hasta ahora usted ha dicho que la señal está en el rango de 0-80Hz. Si toda la información que te interesa está contenida dentro de ese ancho de banda, entonces, por supuesto, la primera cosa que quiero hacer es rechazar cualquier cosa fuera de eso. Pero ¿qué más sabemos acerca de la señal, y cuáles son las características del ruido dentro de ese ancho de banda? Si no hay ninguna diferencia fundamental entre la señal y el ruido, entonces todos los circuitos en el mundo no le ayudará a distinguirlos. Es el ruido puramente aleatorio (es decir, térmica), y hace la señal de tener algún tipo de estructura que le permita distinguirla de la pura aleatoriedad? Es el ruido inherente en su caja negra, o alguna forma de interferencia (por ejemplo, 50/60Hz hum)? Normalmente, en nanovolt los niveles de la señal, en cualquier sistema real, la respuesta es "todas las anteriores". Es decir, habrá múltiples fuentes de ruido, cada uno con sus propias características, y tendrá que luchar en varios frentes.

Como usted mismo ha dicho en una de sus respuestas, "por ejemplo, si se conecta el osciloscopio ¿cómo podría reconocer que uno es el ruido de los cuales uno es el de la señal real?" Puede que no sea capaz de reconocer visualmente, pero si no hay una distinción teórica entre la señal y el ruido, necesitará averiguar a qué esa distinción es y que va a determinar cómo atacar el problema. Si esto fuera un ejercicio teórico y que no tenía idea de cuál es la función de la caja negra estaba realizando, entonces no habría ninguna base para decir que cualquier cosa que aparece en su salida fue la señal o ruido. Si es una cosa real, a continuación, pensar acerca de lo que se supone debe hacer, y que debe darle una idea de qué esperar en su salida.