Verstärken eines nV-Signals über einen kleinen Widerstand

Ich interessiere mich für die Möglichkeit, ein nV-Signal (oder ein sonst angenommenes sehr kleines Signal) über einen kleinen Widerstand zu verstärken / zu messen.

Das SNR dieses Signals ist aufgrund des sehr geringen thermischen Rauschens aufgrund des geringen Widerstandswerts an sich nicht so schlecht. Mein Hauptanliegen ist, dass im Handel erhältliche rauscharme Verstärker unweigerlich ein Eingangsrauschen von einigen nV pro Quadratwurzel Hertz erzeugen und das Signal offensichtlich übersteuern.

Habe ich noch eine andere Möglichkeit? Ich dachte, dass ich aufgrund des geringen Widerstands möglicherweise keinen Verstärker mit einem so hohen Eingangswiderstand brauche, der zum Teil das Rauschen verursachen könnte? Ich bin mir nicht sicher.

Das interessierende Spektrum ist wichtig: Einige ansonsten sehr gute Verstärker weisen bei Frequenzen unter 10 Hz ein besonders hohes Rauschen auf.

Zwei Optionen sind erwägenswert: Die erste Option sind Bipolartransistoren, die vor einer zweiten Stufe des Verstärkers eine nützliche Verstärkung liefern.

Warum nicht gleich zu einem Opamp? Sie sind ziemlich laut, nur sehr wenige haben eine Eingangsstörspannung unter 1 nV / rtHz. und Sie möchten es besser machen.

PNP-Transistoren werden aufgrund ihres geringeren Basis-Spreizwiderstands bevorzugt. Ein Beispiel mit einem guten Ruf vor einigen Jahren war der 2SC2547, Datenblatt hier noch verfügbar ...

Betrachten Sie die Konturen der konstanten Rauschzahl auf Seite 6, die hilfreich 2 dB- und 4 dB-Konturen darstellen, jedoch nicht die nützlichsten 3 dB, sodass Sie zwischen ihnen interpolieren müssen. Das 1-kHz-Diagramm zeigt jedoch ein Minimum des Rauschens bei Ic = 10 mA mit einer Rauschzahl von 3 dB mit einem Quellenwiderstand zwischen 10 und 20 Ohm - nennen Sie es 15 Ohm.

Dies bedeutet, dass dieser Transistor bei Ic = 10 mA so rauschbehaftet sein kann wie ein 15-Ohm-Widerstand - bei oder über 1 kHz. Beachten Sie die Kurven für 120Hz und 10Hz, damit Sie einen anderen Arbeitspunkt wählen können, wenn niedrigere Frequenzen wichtig sind.

Johnson Noise (aus Wiki) kann wie folgt berechnet werden

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

0,9 nV nV / rtHz wären also das Rauschen eines 48-Ohm-Widerstands, während dieser Transistor (oder ein 15-Ohm-Widerstand) 0,5 nV / rtHz liefern würde.

Ich habe es in Mikrofonverstärker-Eingangsstufen verwendet, in einer typischen Mikrofonverstärker-Eingangskonfiguration (langschwänziges Paar, Stromquelle, die beide Emitter speist, 470R oder 1K in jedem Kollektor {speist einen Opamp und es macht das, was es verspricht.

Weniger exotische PNP-Transistoren wie der bescheidene BC214 oder neuere können auch einigermaßen gut abschneiden.

Die zweite Option ist ein Aufwärtstransformator, der Ihre Quellenimpedanz an die Rauschimpedanz des gewählten Verstärkers anpasst, wenn das interessierende Spektrum keine Gleichspannung enthält.

Wenn Sie beispielsweise den NE5534A mit 3,5 nV / rtHz oder einer Rauschimpedanz von 700 Ohm und einer Quellenimpedanz von 1 Ohm wählen, benötigen Sie ein Impedanztransformationsverhältnis von 1: 700 oder ein Spannungstransformationsverhältnis (Windungsverhältnis) von 1:26 (sqrt (700)).

Der Primärwiderstand des Transformators ist natürlich eine Rauschquelle: Es sollten relativ wenige Windungen und Drähte mit großem Durchmesser verwendet werden, um den Widerstand (und damit das Rauschen) gering zu halten. Der Sekundärwiderstand spielt ebenfalls eine Rolle, obwohl sein Rauschen zu der erhöhten Sekundärspannung hinzukommt.

Mit der Rauschimpedanzanpassung können Sie die beste Leistung aus einem beliebigen Verstärker herausholen.

FET-Eingangsverstärker leiden nicht unter denselben Rauschquellen wie Widerstände, weshalb sie mit Eingangswiderständen im Tera- Ohm-Bereich immer noch ein Rauschen von <100 nVpp haben können.

Bei analogen Geräten wird ein "32" -Bit-ADC mit einem Vorverstärker mit einem Eingangsrauschen von <100 nVpp verwendet. Sie können viele Samples auswerten, um das Grundrauschen zu verbessern ).

Was allgemeine Operationsverstärker betrifft, so weist der AD8000-Operationsverstärker nur ~ 20 nVpp Rauschen zwischen 0,1 und 10 Hz auf, dh Spitze-Spitze- Rauschen, nicht Wurzel-Hz.

Es gibt eine britische Firma, die scheinbar nicht supraleitende Picovoltmeter herstellt! Sie könnten etwas Nützliches haben.

Versuchen Sie andernfalls, einen Lock-In-Verstärker auszuleihen. Aber eines davon zu benutzen ist NICHT für schwache Nerven.

Denken Sie daran, es ist egal, was Sie tun, es gibt fast immer einen anderen Weg , nicht unbedingt einen besseren , aber Sie haben normalerweise Optionen. Der Trick ist, sie zu finden.

Mir ist überhaupt nicht klar, dass 'ein paar' nV / sqrt Hz-Rauschen Ihr Signal überlagern, da Sie nichts über die Bandbreite gesagt haben. Wenn Ihre Bandbreite sehr niedrig ist, liegt möglicherweise kein Problem vor. Beachten Sie, dass es sich bei der Bandbreite nicht um die maximale Frequenz handelt.

Beachten Sie, dass das angegebene nV / sqrt Hz-Rauschen über der 1 / f-Eckfrequenz liegt. Wenn Ihre Frequenz niedrig ist, kann das 1 / f-Rauschen ebenfalls einen signifikanten Beitrag leisten. Chopper-Verstärker haben viel weniger 1 / f-Rauschen, leiden jedoch häufig unter relativ hohem weißem Rauschen.

Ein Lock-In-Verstärker, der in vielen Labors Standard ist, hat aufgrund der synchronen Demodulation effektiv eine sehr geringe Bandbreite. Durch Modulation und Demodulation können Sie unter bestimmten Umständen im Bereich des weißen Rauschens Ihres Verstärkers (konstante nV / sqrt Hz) und nicht am unteren Ende arbeiten.

Wenn das Signal über einigen zehn Hz liegt und die Quellenimpedanz niedrig ist, können Sie eine Anhebung erzielen, indem Sie einen einfachen Aufwärtstransformator am Eingang verwenden. Natürlich wird der Wicklungswiderstand einen Johnson-Nyquist-Rauschbeitrag liefern. Der Transformator mit einem Übersetzungsverhältnis von 1: n verringert die Impedanz um 1 / sqrt (n) und das Rauschen im Idealfall um 1 / n.

Es ist auch möglich, einen beliebig rauscharmen Verstärker zu bauen, indem einfach 'n' rauscharme Verstärker parallel geschaltet und die Ausgänge summiert werden. Die Eingangsimpedanz nimmt mit 1 / n ab und das unkorrelierte Rauschen mit 1 / sqrt (n), so dass 100 Verstärker parallel 1/100 der Eingangsimpedanz und (idealerweise) 1/10 des Rauschens haben würden.

If you happen to have a liquid helium cryostat and some DC SQUIDs available you can get much lower noise levels but your budget won't pay for even a single cable let alone the setup.

Diese Schaltung hat eine Verstärkung von 60 dB bei 1 kHz und steigt auf 86 dB unter 50 Hz. Grundrauschen <1nV / rtHz.

Betrachten Sie einen NJFET-Vorverstärker mit inhärenter DC_blocking, da der Vorverstärker RIAA-kompensiert ist und das Wow / Flutter des Plattentellers zurückgewiesen werden sollte. Diese Schaltung von der diyAudio.com-Website (das Forum darin ist "Simplistic NJFET RIAA") liefert eine Verstärkung von 60 dB, die dazu bestimmt ist, 250 Mikrovolt in 0,25 Volt umzuwandeln. Das SNR für 250 Mikrovolt, die Leistung einer MovingCoil-Patrone, wird beeindruckend sein. Die Bauherren dieser Stromkreise (Dutzende wurden gebaut) sprechen von "Musik kommt aus absoluter Stille - kein Zischen oder Summen oder Summen, selbst wenn die Verstärkung des Leistungsverstärkers auf Maximum eingestellt ist."

Angesichts des völligen Mangels an PowerSupplyRejection (beachten Sie, dass der R1-Verstärkungssatz und der R10-Verstärkungssatz an die 45-Volt-Schiene gebunden sind, wenn auch mit C5 und C6 für die 2. Verstärkungsstufe und den Ausgangspuffer) für die erste Verstärkungsstufe (duale NJFETs mit Q3-Bipolarkaskade zur Eliminierung von Miller Effekt), müssen Sie den entsprechenden SHUNT-Regler verwenden:

Der Entwickler der Schaltkreise "salas" ist auch einer der Moderatoren von diyAudio und wird wahrscheinlich amüsiert sein, wenn Sie vorbeischauen und nach der Verwendung der Schaltkreise für andere Sensoren als MovingCoils fragen. Der 2SK170 hat eine Rauschdichte von deutlich unter 1 NanoVolt / rtHz. manche Leute benutzen 2 parallel; Einige Leute streben 4 parallel an, vielleicht mit ein paar Ohm in den FET-Quellen, um eine gleichmäßigere Stromverteilung zu fördern, obwohl ein umfangreicher Teil dieses Forums das Messen und Sortieren von NJFETs auf 1% Übereinstimmungsniveau (1 / 10ma von 1%) behandelt 10 oder 15 mA).

Die Experimentatoren berichten, dass sie mit MovingCoils im Bereich von 2 Ohm bis 10 Ohm zufrieden sind. Die 6 Ohm MC-Sensoren würden 1 nV / sqrt (10) oder 0,316 nV / rtHz betragen. Für die Verwendung solcher rauscharmer Sensoren ist eine umfangreiche Infrastruktur erforderlich. Hier ist ein solches physikalisches Beispiel:

Beachten Sie den 50-Hz-Leistungstransformator (die meisten Hersteller in Europa) und die Gleichrichter. Die erste CLC-Filterung ist eine REMOTE BOX. Meterlange Kabel führen die 55 Volt zur LeftRight-Kanalbox im Vordergrund. Der Shunt-Regler befindet sich ganz links / rechts und die eigentliche RIAA (beachte die riesigen schwarzen Filmkondensatoren für minimale musikalische Färbung durch dielektrische Kompression) Vorverstärker in der Mitte. Beachten Sie die schweren Aluminiumkästen. Der Boden ist auch der Kühlkörper für die Shunt-Regler. Das kann Alaun oder Stahl sein? Ich weiß es nicht.

edit Ihr Ziel ist die genaue Messung von 1 NanoVolt. Aus einer sehr geringen Zsource. Sie müssen einige Kabel vom "Sensor-Shunt" zum Vorverstärker verlegen. Diese Drähte sind Kandidatenpfade für alle Arten von Müll. Jedes Bit von 60 Hz Energie, von 120 Hz Energie, für Meter in der Nähe, wird diese Drähte auf nützliche Leitfähigkeit untersuchen. Und diese Black Bricks, die Regs tauschen, brauchen auch Return-Pfade.

Untersuchen Sie die Isolierung eines Plattenspielers und einer Kassette. Die Abschirmung erfolgt über einen 5. Draht (zusätzlich zu 4 Drähten von den LeftRight-Kanalsensoren). Sie müssen die Verwendung dieser 4 + 1-Drähte für Fremdenergie minimieren. Entfernung kann dein einziger Freund sein. Dennoch gibt es Hoffnung. Hier ist ein Foto des Leistungstransformators "Rennstrecke", der preisgekrönten Methode für die beste E-Feld-Isolation zwischen 117 VAC / 220 VAC und dem gleichgerichteten Roh-Gleichstrom (vor dem Eintritt in das ShuntReg):

Beachten Sie, dass sich die Primär- und Sekundärspule in getrennten Spulenformen befinden, wodurch die kapazitive Einkopplung von Stromleitungsabfällen in den Vorverstärker minimiert wird. Diese Abfälle erfordern dann einen Rückweg zum Erdboden außerhalb des Gebäudes, wobei die Drähte zum Sensor ein Teil von sind die Wege erkundet.

Verwenden Sie bei hohen Frequenzen einen Transformator (Luftspulen), um dieses Niederspannungsproblem zu lösen. Verwenden Sie als Verstärker Trioden, sie haben ein geringes Rauschen. Verwenden Sie Metallfolie oder Drahtwiderstände und versuchen Sie, diese auf niedriger Temperatur zu halten.

Wenn das Signal Wechselstrom und Schmalband ist, warum dann nicht einen abgestimmten Transformator verwenden, um die Spannung auf einen vernünftigen Wert zu bringen, bei dem normale Techniken funktionieren?

Der Transformator hat ein niedriges DCR und damit ein niedriges thermisches Rauschen. Wenn es gut abgeschirmt ist, ist es von großem Nutzen.

Hier ist ein OpAmp-Design unter Verwendung von 1 NanoVolt-Rauschdichte-OpAmps in Avcl = 60 dB und 100 dB; Stufe 1 ist gleichstromgekoppelt, um große Kondensatoren zu vermeiden (anfällig für E-Feld-Interferenzen). Stufe 2 ist im Gain-Set-Netzwerk DC-blockiert; Zum Spaß habe ich 10 Millivolt PowerSupply-Störungen in jeden OpAmp integriert. Ergebnis? Das SNR ist -70dB. Vout ist 29 Millivolt; thermisches Rauschen beträgt 1 Volt; Das Stromversorgungsrauschen beträgt 93 Volt. [Ohne Restwelligkeit der Stromversorgung beträgt das SNR -31,5 dB]

Und hier ist der Grund, warum der PowerSupply-Müll so stark durchkommt: Der OpAmp PSRR ist nur 80 dB (Standardwerte) UND die LsRsCs bei OpAmp VDD haben keinen Einfluss auf die Welligkeit von 60/120 (die Caps müssen viel größer sein, und die Serien-Rs bei mindestens 10x größer).

Fügen Sie jetzt den Vorteil eines Lockon-Verstärkers hinzu: modelliert als 25-Hertz-Bandpass mit Q = 100. Das SNR verbessert sich (mit 1nanoVoltPP-Eingang) von -30dB auf -5dB. Beachten Sie, dass ich oben rechts auf "Gargoyles" und "PSI" geklickt habe. Beachten Sie auch, dass ich unter SNR / ENOB-Fenstern den FOI FrequencyOfInterest-Wert auf genau 25 Hz eingestellt habe, was aufgrund des HighQ-Filters erforderlich ist. Und ich habe die LowPass-Filter-LRC-Stufe verwendet, um die LC-Resonanz mithilfe des Arbeitsblatts genau bei 25,00 Hz zu platzieren. bei Q = 100 ist dies notwendig.

Hier ist die Rauschkurve, die 24 bis 26 Hz abdeckt. Beachten Sie die vielen Rauschquellen, die auf der rechten Seite aufgelistet sind, aber nur das Rauschen und der Rg-Wert des Verstärkers sind wichtig. Rg ist 10,01 Ohm gegen Masse, wodurch die 60-dB-Verstärkung dieses gepufferten Verstärkungsfolgers eingestellt wird. Wiederum beträgt die Rnoise des ersten Operationsverstärkers 62 Ohm oder 1,0 nv / rtHz.