Amplifier un signal nV sur une petite résistance

Je m'intéresse à la faisabilité d'amplifier / mesurer un signal de niveau nV (ou autrement supposé très petit) à travers une petite résistance.

Le SNR de ce signal n'est pas si mauvais en soi à cause du très petit bruit thermique, dû à la faible valeur de la résistance. Ma principale préoccupation est que les amplificateurs à faible bruit disponibles dans le commerce semblent inévitablement ajouter du bruit d'entrée au niveau de quelques nV par hertz racine carrée, inondant évidemment le signal.

Ai-je une autre option? Je pensais qu'en raison de la petite résistance, je pourrais ne pas avoir besoin d'un amplificateur avec une telle résistance d'entrée élevée, ce qui pourrait causer en partie le bruit? Je ne suis pas sûr.

Le spectre d'intérêt est important: certains appareils d'amplification sinon très bons ont un bruit très élevé à des fréquences inférieures à 10 Hz.

Deux options méritent d'être envisagées: la première est des transistors bipolaires pour fournir un gain utile avant un deuxième étage opamp.

Pourquoi ne pas aller directement à un opamp? Ils sont assez bruyants, très peu ont une tension de bruit d'entrée inférieure à 1 nV / rtHz, et vous voulez faire mieux que cela.

Les transistors PNP sont préférés, grâce à leur faible résistance à l'étalement de la base. Un exemple avec une bonne réputation il y a quelques années était le 2SC2547, la fiche technique encore disponible ici ...

En regardant les contours du bruit constant à la page 6, qui tracent utilement les contours de 2 dB et 4 dB, mais pas les 3 dB les plus utiles, vous devez donc interpoler entre eux. Mais le tracé de 1 kHz montre un minimum de bruit à Ic = 10mA, avec un chiffre de bruit de 3 dB avec une résistance de source entre 10 et 20 ohms - appelez-le 15 ohms.

Cela implique que ce transistor, à Ic = 10mA, peut être aussi bruyant qu'une résistance de 15 ohms - à 1 kHz ou plus. Les courbes de note pour 120 Hz et 10 Hz vous permettent de choisir un point de travail différent si des fréquences plus basses sont importantes.

Le bruit de Johnson (de Wiki) peut être calculé comme

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

Ainsi, 0,9nV nV / rtHz serait le bruit d'une résistance de 48 ohms, tandis que ce transistor (ou une résistance de 15 ohms) donnerait 0,5 nV / rtHz.

Je l'ai utilisé dans les étages d'entrée d'amplificateur de microphone, dans une configuration d'entrée d'amplificateur de microphone typique (paire à longue queue, source de courant alimentant les deux émetteurs, 470R ou 1K dans chaque collecteur {alimentant un ampli-op, et il fait ce qu'il dit sur l'étain.

Les transistors PNP moins exotiques comme l'humble BC214 ou plus récent peuvent aussi faire assez bien.

La deuxième option, si le spectre d'intérêt ne comprend pas DC, est un transformateur élévateur pour adapter l'impédance de votre source à l'impédance de bruit de votre amplificateur choisi.

Par exemple, si vous choisissez le NE5534A avec 3,5 nV / rtHz, ou une impédance de bruit de 700 ohms, et que votre impédance de source est de 1 ohm, vous avez besoin d'un rapport de transformation d'impédance de 1: 700, ou d'un rapport de transformation de tension (rapport de tours) de 1:26 (sqrt (700).

La résistance primaire du transformateur est bien sûr une source de bruit: il devrait y avoir relativement peu de spires, et un fil de gros diamètre, pour maintenir la résistance (et donc le bruit) basse. La résistance secondaire est également importante, bien que son bruit s'ajoute à la tension secondaire accrue.

L'adaptation d'impédance du bruit vous permet d'obtenir les meilleures performances de l'amplificateur que vous choisissez.

Les amplis d'entrée FET ne souffrent pas des mêmes sources de bruit que les résistances, c'est pourquoi ils peuvent toujours avoir un bruit <100nVpp avec des résistances d'entrée dans la gamme tera ohm.

Les appareils analogiques produisent un ADC "32" bit avec préampli avec un bruit d'entrée <100nVpp, vous pouvez faire la moyenne de nombreux échantillons pour essayer d'améliorer le bruit de fond (5 sps pendant une heure devrait vous donner quelques bits supplémentaires de données "sans bruit" ).

En ce qui concerne les amplificateurs opérationnels généraux, l'opamp AD8000 a seulement un bruit de ~ 20 nVpp entre 0,1 et 10 Hz, c'est -à-dire un bruit de crête à crête , pas de racine à Hz.

Il y a une entreprise britannique qui fabrique des picovoltmètres apparemment non supraconducteurs ! Ils pourraient avoir quelque chose d'utile.

Sinon, voyez si vous pouvez emprunter l'amplificateur de verrouillage de quelqu'un. Mais utiliser l'un de ces éléments n'est PAS une feinte de cœur.

N'oubliez pas, peu importe ce que vous faites, il y a presque toujours une autre façon , pas nécessairement une meilleure , mais vous avez généralement des options. L'astuce consiste à les trouver.

Pour moi, il n'est pas du tout évident que «quelques» bruits nV / sqrt Hz submergent votre signal car vous n'avez rien dit sur la bande passante. Si votre bande passante est très faible, il n'y a peut-être pas de problème. Notez que c'est la bande passante et non la fréquence maximale.

Notez que le bruit nV / sqrt Hz cité est supérieur à la fréquence d'angle 1 / f et si votre fréquence est basse, vous pouvez également avoir une contribution significative du bruit 1 / f. Les amplificateurs Chopper ont beaucoup moins de bruit 1 / f mais souffrent souvent d'un bruit blanc relativement élevé.

Un amplificateur à verrouillage, un kit standard dans de nombreux laboratoires, a effectivement une très faible bande passante en raison de la démodulation synchrone. En modulant et démodulant, dans certaines circonstances, vous pouvez opérer dans la zone de bruit blanc de votre amplificateur (nV constant / Hz Hz) plutôt qu'à l'extrémité inférieure.

Si le signal est supérieur à quelques dizaines de Hz et que l'impédance de la source est faible, vous pouvez obtenir un boost en utilisant un simple transformateur élévateur à l'entrée. Il y aura bien sûr une contribution au bruit de Johnson-Nyquist de la résistance d'enroulement. Le transformateur avec un rapport de tours de 1: n diminue l'impédance de 1 / sqrt (n) et diminue le bruit de 1 / n, idéalement.

Il est également possible de construire un amplificateur à faible bruit arbitraire simplement en parallèle des amplificateurs à faible bruit en parallèle et en additionnant les sorties. L'impédance d'entrée diminue avec 1 / n et le bruit non corrélé diminue avec 1 / sqrt (n), donc 100 amplificateurs en parallèle auraient 1/100 de l'impédance d'entrée et (idéalement) 1/10 du bruit.

Si vous avez un cryostat à hélium liquide et certains SQUID DC disponibles, vous pouvez obtenir des niveaux de bruit beaucoup plus bas, mais votre budget ne paiera même pas un seul câble et encore moins l'installation.

Ce circuit a un gain de 60 dB à 1 KHz, passant à 86 dB en dessous de 50 Hz. Niveau de bruit <1nV / rtHz.

Considérez un préamplificateur NJFET, avec DC_blocking inhérent car le préampli est compensé par RIAA et le wow / flutter de la platine doit être rejeté. Ce circuit, du site diyAudio.com (le forum qui s'y trouve est "Simplistic NJFET RIAA"), fournit un gain de 60 dB, destiné à convertir 250 microVolts en 0,25 volts. Le SNR pour 250microVolts, la sortie d'une cartouche MovingCoil, sera impressionnant; les constructeurs de ces circuits (des dizaines ont été construits) parlent de "la musique vous vient d'un silence absolu --- pas de sifflement, de bourdonnement ou de bourdonnement, même avec un gain d'amplificateur de puissance au maximum."

Étant donné le manque total de PowerSupplyRejection (notez que le jeu de gain R1 et le jeu de gain R10 sont liés à un rail de 45 volts, bien qu'avec C5 et C6 pour le deuxième étage de gain et le tampon de sortie) pour le premier étage de gain (double NJFETS avec cascade bipolaire Q3 pour éliminer Miller effet), vous devrez utiliser le régulateur SHUNT approprié:

Le développeur des circuits "salas" est également l'un des modérateurs de diyAudio, et sera probablement amusé si vous passez nous voir et que vous demandez comment utiliser les circuits pour des capteurs autres que MovingCoils. Le 2SK170 a une densité de bruit bien inférieure à 1 nanoVolt / rtHz; certaines personnes utilisent 2 en parallèle; certaines personnes optent pour 4 en parallèle, peut-être avec quelques ohms dans les sources FET pour encourager un partage de courant plus égal, même si une grande partie de ce forum discute de la mesure et du tri du NJFET au niveau de correspondance de 1% (1 / 10ma sur 10 ou 15mA).

Les expérimentateurs disent être satisfaits de MovingCoils dans la gamme de 2 ohms à 10 ohms; les capteurs MC de 6 Ohms seraient de 1 nV / sqrt (10) ou 0,316 nV / rtHz. Une infrastructure substantielle est nécessaire pour utiliser ces capteurs à faible bruit; en voici un exemple physique:

Notez le transformateur de puissance à 50 Hz (la plupart des constructeurs sont en Europe) et les redresseurs et le premier filtrage CLC est une BOÎTE À DISTANCE, avec des câbles d'un mètre amenant les 55 volts à la boîte de canal LeftRight au premier plan, avec le régulateur de shunt à l'extrême gauche / à droite et le RIAA actuel (notez les énormes condensateurs à film noir, pour une coloration musicale minimale de la compression diélectrique) Préamplis au milieu. Notez les lourdes boîtes en aluminium. Le fond est également le dissipateur de chaleur pour les régulateurs de shunt. Cela peut être de l'alun ou de l'acier? Je ne sais pas.

modifier Votre objectif est une mesure précise de 1 nanoVolt. À partir d'un Zsource très faible. Vous devrez faire passer quelques fils du "shunt de capteur" au préamplificateur. Ces fils sont des chemins candidats pour toutes sortes de déchets. Chaque bit d'énergie de 60 Hz, d'énergie de 120 Hz, pour des mètres autour, explorera ces fils pour une conductivité utile. Et ces briques noires, qui changent de regs, ont également besoin de chemins de retour.

Examinez l'isolement d'une platine et d'une cartouche. Le blindage, l'utilisation d'un 5ème fil (en plus des 4 fils des capteurs du canal LeftRight). Vous devez minimiser l'utilisation de ces fils 4 + 1 pour l'énergie étrangère. La distance peut être votre seul ami. Pourtant, il y a de l'espoir. Voici une photo du transformateur de puissance "racetrack", la méthode prisée pour la meilleure isolation Efield entre 117VAC / 220VAC et le DC brut rectifié (avant d'entrer dans le ShuntReg):

Notez que le primaire et le secondaire sont sur des formes de bobines distinctes, minimisant le couplage capacitif des déchets de ligne électrique dans le préampli, ces déchets nécessitant ensuite un chemin de retour vers la terre à l'extérieur du bâtiment, avec les fils du capteur faisant partie de les chemins explorés.

À haute fréquence, utilisez un transformateur (bobines à noyau d'air) pour lutter contre ce problème de basse tension. En tant qu'amplificateurs, utilisez des triodes, ils ont un faible bruit. Utilisez une feuille métallique ou des résistances bobinées et essayez de les maintenir à basse température.

Si le signal est AC et à bande étroite, alors pourquoi ne pas utiliser un transformateur accordé pour obtenir la tension à un niveau raisonnable où les techniques normales fonctionneront?

Le transformateur a un faible DCR et donc un faible bruit thermique. S'il est bien protégé, il sera très utile.

Voici une conception OpAmp, utilisant 1 OpAmps de densité de bruit nanoVolt, en Avcl = 60dB et 100dB; l'étage 1 est couplé en courant continu, pour éviter d'énormes condensateurs (vulnérables aux interférences Efield); l'étage 2 est bloqué en courant continu dans le réseau à gain réglé; pour le plaisir, j'ai inclus 10 millivolts d'interférence PowerSupply dans chaque OpAmp. Résultat? le SNR est de -70 dB. Vout est de 29milliVolts; le bruit thermique est de 1 volt; le bruit de l'alimentation est de 93 volts. [Sans ondulation de l'alimentation, le SNR est de -31,5 dB]

Et voici pourquoi la corbeille PowerSupply est si puissante: l'OpAmp PSRR n'est que de 80 dB (valeurs par défaut) ET les LsRsC sur l'OpAmp VDD n'ont aucun impact sur l'ondulation 60/120 (les Caps doivent être beaucoup plus grands et les séries R à 10 fois plus gros).

Ajoutez maintenant l'avantage d'un amplificateur Lockon: modélisé en bande passante 25Hertz, avec Q = 100. Le SNR s'améliore (avec une entrée 1 nanoVoltPP) de -30 dB à -5 dB. Notez, en haut à droite, j'ai cliqué sur les "Gargouilles" et "PSI". Notez également que sous les fenêtres SNR / ENOB, j'ai défini la valeur FOI FrequencyOfInterest sur exactement 25 Hz, nécessaire en raison du filtre highQ. Et j'ai utilisé l'étage LowPass Filter LRC, afin de pouvoir placer la résonance LC exactement à 25,00 Hz, en utilisant la feuille de calcul; à Q = 100, cela est nécessaire.

Voici le tracé du bruit, couvrant 24 à 26 Hz. Notez les nombreuses sources de bruit répertoriées sur le côté droit, mais seuls le bruit de l'amplificateur et le Rg sont importants. Rg est le 10.01 Ohms à la terre, définissant le gain de 60 dB de ce suiveur de gain tamponné. Encore une fois, le Rnoise du premier ampli op est 62_ohms, ou 1.0nv / rtHz.