การขยายสัญญาณ nV ให้เป็นแนวต้านเล็ก ๆ

ฉันสนใจความเป็นไปได้ของการขยาย / วัดระดับ nV (หรือสันนิษฐานว่ามีขนาดเล็กมาก) ในแนวต้านเล็ก ๆ

SNR ของสัญญาณนี้ไม่ได้แย่ในตัวมันเองเพราะเสียงความร้อนน้อยมากเนื่องจากค่าความต้านทานน้อย ความกังวลหลักของฉันคือแอมพลิฟายเออร์เสียงรบกวนต่ำที่มีขายทั่วไปดูเหมือนว่าจะเพิ่มสัญญาณรบกวนในระดับไม่กี่ nV ต่อเฮิร์ตซ์สแควร์รูตอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้

ฉันมีทางเลือกอื่นหรือไม่? ฉันคิดว่าเนื่องจากความต้านทานขนาดเล็กฉันอาจไม่ต้องการแอมป์ที่มีความต้านทานอินพุตสูงเช่นนี้ซึ่งอาจทำให้เกิดเสียงรบกวนได้บ้าง ฉันไม่แน่ใจ.

สเปกตรัมที่น่าสนใจมีความสำคัญ: อุปกรณ์ขยายสัญญาณที่ดีเป็นอย่างอื่นมีสัญญาณรบกวนสูงเป็นพิเศษที่ความถี่ต่ำกว่า 10Hz

มีสองทางเลือกที่ควรพิจารณา: ตัวเลือกแรกคือทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์เพื่อให้ได้รับประโยชน์ก่อนขั้นตอนที่สองของ opamp

ทำไมไม่ตรงไปที่ opamp? พวกมันค่อนข้างจะมีเสียงดังมีน้อยคนที่มีแรงดันสัญญาณเสียงรบกวนต่ำกว่า 1 nV / rtHzและคุณต้องการทำได้ดีกว่านั้น

แนะนำให้ใช้ทรานซิสเตอร์ PNP เนื่องจากความต้านทานการแพร่กระจายที่ฐานล่าง ตัวอย่างหนึ่งที่มีชื่อเสียงดีเมื่อหลายปีก่อนคือ 2SC2547 แผ่นข้อมูลยังคงมีอยู่ที่นี่ ...

ดูรูปทรงของเสียงรบกวนคงที่ในหน้า 6 ซึ่งเป็นประโยชน์ในการวางแผน 2dB และ 4dB contours แต่ไม่ใช่ 3dB ที่มีประโยชน์มากที่สุดดังนั้นคุณต้องแก้ไขระหว่างเสียงเหล่านั้น แต่พล็อต 1 kHz แสดงสัญญาณรบกวนขั้นต่ำที่ Ic = 10mA พร้อมรูปเสียง 3dB ที่มีความต้านทานแหล่งที่มาระหว่าง 10 และ 20 โอห์ม - เรียกว่า 15 โอห์ม

นั่นก็หมายความว่าทรานซิสเตอร์นี้ที่ Ic = 10mA นั้นอาจมีเสียงดังเท่ากับตัวต้านทาน 15 โอห์ม - ที่หรือสูงกว่า 1 kHz หมายเหตุเส้นโค้งสำหรับ 120Hz และ 10Hz ช่วยให้คุณสามารถเลือกจุดทำงานที่แตกต่างกันหากความถี่ต่ำเป็นสิ่งสำคัญ

เสียงของ Johnson (จาก Wiki)สามารถคำนวณได้ดังนี้

0.13 * sqrt (R) nV / rtHz

ดังนั้น 0.9nV nV / rtHz จะเป็นเสียงของตัวต้านทาน 48 โอห์มในขณะที่ทรานซิสเตอร์ตัวนี้ (หรือตัวต้านทาน 15 โอห์ม) จะให้ 0.5 nV / rtHz

ฉันได้ใช้มันในขั้นตอนการป้อนข้อมูลของแอมป์ไมโครโฟนในการกำหนดค่าอินพุตไมโครโฟนแอมป์ทั่วไป (คู่ยาวหางแหล่งจ่ายกระแสให้อาหารทั้งอิมิเตอร์, 470R หรือ 1K ในแต่ละตัวสะสม

ทรานซิสเตอร์ PNP ที่แปลกใหม่น้อยลงเช่น BC214 ที่ต่ำต้อยหรือใหม่กว่านั้นก็อาจทำได้ดีเช่นกัน

ตัวเลือกที่สองถ้าคลื่นความถี่ที่น่าสนใจไม่รวมถึง DC เป็นหม้อแปลงแบบ step-up เพื่อให้ตรงกับอิมพิแดนซ์ต้นทางของคุณกับอิมพีแดนซ์เสียงรบกวนของเครื่องขยายเสียงที่คุณเลือก

ตัวอย่างเช่นหากคุณเลือก NE5534A ที่มี 3.5nV / rtHz หรือความต้านทานสัญญาณรบกวนที่ 700 โอห์มและอิมพีแดนซ์ต้นทางของคุณคือ 1 โอห์มคุณต้องมีอัตราส่วนการเปลี่ยนอิมพีแดนซ์ 1: 700 หรืออัตราส่วนการเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้า 1:26 (sqrt (700)

ความต้านทานหลักของหม้อแปลงเป็นแหล่งกำเนิดเสียงแน่นอน: มันควรจะมีการหมุนไม่กี่ครั้งและลวดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่เพื่อลดความต้านทาน (และด้วยเหตุนี้เสียง) ลง ความต้านทานรองก็มีความสำคัญเช่นกันแม้ว่าจะมีการเพิ่มเสียงรบกวนที่ด้านบนของแรงดันไฟฟ้าทุติยภูมิที่เพิ่มขึ้น

การจับคู่ความต้านทานเสียงรบกวนช่วยให้คุณได้รับประสิทธิภาพที่ดีที่สุดจากแอมพลิฟายเออร์ที่คุณเลือก

แอมป์อินพุต FET ไม่ได้รับผลกระทบจากแหล่งเสียงเดียวกันกับตัวต้านทานซึ่งเป็นวิธีที่พวกเขายังสามารถมีสัญญาณรบกวน <100nVpp พร้อมความต้านทานอินพุตในช่วงtera ohm

อุปกรณ์แบบอะนาล็อกทำให้บิต ADC w / preamp ที่มีสัญญาณรบกวนเป็น <32nVpp คุณสามารถเฉลี่ยตัวอย่างจำนวนมากเพื่อพยายามปรับปรุงพื้นเสียง (5 วินาทีต่อชั่วโมงควรให้ข้อมูล "ไม่มีเสียง" เพิ่มอีกเล็กน้อย )

สำหรับ opamp ทั่วไป AD8000 opamp มีสัญญาณรบกวนเพียง 20 ~ 20nVpp ระหว่าง 0.1 - 10Hz นั่นคือเสียงจากยอดเขาถึงยอดเขาไม่ใช่ root-Hz

มี บริษัท สัญชาติอังกฤษที่ทำให้picovoltmeters ที่ไม่เป็นตัวนำยิ่งยวดดูเหมือน! พวกเขาอาจมีสิ่งที่มีประโยชน์

มิฉะนั้นดูว่าคุณสามารถยืมแอมพลิฟายเออร์ล็อคได้หรือไม่ แต่การใช้อย่างใดอย่างหนึ่งเหล่านี้ไม่ได้เป็นเพื่อลวงตา

โปรดจำไว้ว่าไม่สำคัญว่าคุณกำลังทำอะไรอยู่มีวิธีอื่นเกือบจะไม่จำเป็นต้องเป็นวิธีที่ดีกว่าแต่คุณมักจะมีตัวเลือก เคล็ดลับคือการหาพวกเขา

สำหรับผมมันไม่ชัดเจนเลยว่าเสียง 'nV / sqrt Hz จะรบกวนสัญญาณของคุณเพราะคุณไม่ได้พูดถึงแบนด์วิดท์ หากแบนด์วิดท์ของคุณต่ำมากแสดงว่าอาจไม่มีปัญหา โปรดทราบว่าแบนด์วิดท์ไม่ใช่ความถี่สูงสุด

โปรดทราบว่าสัญญาณรบกวน nV / sqrt Hz อยู่เหนือความถี่มุม 1 / f และหากความถี่ของคุณต่ำคุณอาจมีส่วนสำคัญจากเสียง 1 / f เช่นกัน แอมพลิฟายเออร์ของ Chopper มีเสียงรบกวนน้อยลง 1 / f แต่มักจะมีเสียงรบกวนสีขาวค่อนข้างสูง

แอมพลิฟายเออร์ล็อคอินเป็นชุดชิ้นส่วนมาตรฐานในห้องปฏิบัติการหลายแห่งอย่างมีประสิทธิภาพมีแบนด์วิดท์ต่ำมากเนื่องจาก demodulation แบบซิงโครนัส ในบางกรณีคุณสามารถทำงานในบริเวณที่มีสัญญาณรบกวนสีขาวของเครื่องขยายเสียงของคุณ (ค่าคงที่ nV / sqrt Hz) โดยการมอดูเลตและ demodulating

หากสัญญาณอยู่เหนือระดับ Hz บางส่วนและอิมพีแดนซ์แหล่งกำเนิดต่ำคุณสามารถรับสัญญาณเพิ่มได้โดยใช้หม้อแปลงแบบ step-up ที่อินพุต จะมีส่วนร่วมเสียง Johnson-Nyquist จากความต้านทานที่คดเคี้ยวแน่นอน หม้อแปลงที่มีอัตราส่วนการหมุน 1: n จะลดความต้านทานโดย 1 / sqrt (n) และลดเสียงรบกวนลง 1 / n โดยอุดมคติ

นอกจากนี้ยังเป็นไปได้ที่จะสร้างแอมพลิฟายเออร์เสียงรบกวนต่ำโดยพลการเพียงแค่ขนานแอมพลิฟายเออร์เสียงรบกวนต่ำ 'n' และรวมเอาท์พุท ความต้านทานอินพุตลดลงด้วย 1 / n และลดเสียงรบกวน uncorrelated กับ 1 / sqrt (n) ดังนั้น 100 แอมป์ในแบบขนานจะมี 1/100 อิมพีแดนซ์อินพุตและ (นึกคิด) 1/10 เสียง

หากคุณมีฮีเลียมเหลวและมี DC SQUIDบางตัวคุณสามารถลดระดับเสียงได้ แต่งบประมาณของคุณจะไม่จ่ายแม้แต่สายเคเบิลเส้นเดียว

วงจรนี้มีอัตราขยาย 60dB ที่ 1KHz เพิ่มขึ้นเป็น 86dB ต่ำกว่า 50Hz ระดับเสียงรบกวน <1nV / rtHz

พิจารณาตัวขยายสัญญาณล่วงหน้า NJFET ด้วย DC_blocking โดยธรรมชาติเพราะตัวปรีแอมป์ได้รับการชดเชย RIAA และ wow / flutter แผ่นเสียงควรถูกปฏิเสธ วงจรนี้จากเว็บไซต์ diyAudio.com (ฟอรัมดังกล่าวคือ "Simplistic NJFET RIAA") ให้กำไร 60dB โดยมีจุดประสงค์เพื่อแปลง 250 ไมโครโวลต์เป็น 0.25 โวลต์ SNR สำหรับ 250microVolts ผลลัพธ์ของคาร์ทริดจ์ MovingCoil จะน่าประทับใจ ผู้สร้างบ้านของวงจรเหล่านี้ (ถูกสร้างขึ้นหลายสิบ) พูดถึง "เพลงมาที่คุณออกมาจากความเงียบแน่นอน - ไม่มีเสียงฟู่หรือครวญเพลงหรือเสียงกระหึ่ม

เมื่อพิจารณาถึงการขาด PowerSupplyRejection โดยรวม (หมายเหตุชุดกำไร R1 และชุดกำไร R10 ถูกผูกไว้กับรางรถไฟขนาด 45 โวลต์ถึงแม้ว่าจะมี C5 และ C6 สำหรับอัตรากำไรขั้นต้นที่ 2 และบัฟเฟอร์เอาท์พุท) สำหรับกำไรขั้นแรก ผลกระทบ) คุณจะต้องใช้ตัวควบคุม SHUNT ที่เหมาะสม:

ผู้พัฒนาวงจร "salas" ก็เป็นหนึ่งในผู้ดำเนินรายการสำหรับ diyAudio และอาจจะสนุกถ้าคุณแวะไปและถามเกี่ยวกับการใช้วงจรสำหรับเซ็นเซอร์อื่น ๆ นอกเหนือจาก MovingCoils 2SK170 มีความหนาแน่นของสัญญาณรบกวนต่ำกว่า 1nanoVolt / rtHz; บางคนใช้ 2 แบบขนาน บางคนใช้ 4 คู่ขนานอาจมีไม่กี่โอห์มในแหล่ง FET เพื่อส่งเสริมการแบ่งปันกระแสที่เท่าเทียมกันมากขึ้นแม้ว่าส่วนที่กว้างขวางของฟอรัมนั้นจะกล่าวถึงการวัดและเรียงลำดับ NJFET ในระดับ 1% ของการจับคู่ (1 / 10ma จาก 10 หรือ 15mA)

ผู้ทดสอบเขียนว่ารู้สึกพอใจกับ MovingCoils ในช่วง 2 โอห์มถึง 10 โอห์ม เซ็นเซอร์ 6 Ohm MC จะเป็น 1nV / sqrt (10) หรือ 0.316nV / rtHz จำเป็นต้องมีโครงสร้างพื้นฐานที่สำคัญในการใช้เซ็นเซอร์เสียงรบกวนต่ำ นี่คือตัวอย่างทางกายภาพหนึ่งตัวอย่าง:

หมายเหตุหม้อแปลงไฟฟ้า 50Hz (ผู้สร้างส่วนใหญ่อยู่ในยุโรป) และวงจรเรียงกระแสและตัวกรอง CLC แรกคือกล่อง REMOTE พร้อมสายเคเบิลยาวเมตรที่นำโวลต์ 55 โวลต์ไปยังกล่องช่อง LeftRight ที่ด้านหน้าโดยมี Shunt Regulator ทางซ้ายสุด / ขวาและ RIAA จริง (สังเกตตัวเก็บประจุฟิล์มสีดำขนาดใหญ่สำหรับการระบายสีดนตรีน้อยที่สุดจากการบีบอัดอิเล็กทริก) preamps ที่อยู่ตรงกลาง สังเกตกล่องอลูมิเนียมหนัก ๆ ด้านล่างเป็นที่ระบายความร้อนสำหรับเร็กกูเลเตอร์ นั่นอาจเป็นสารส้มหรือเหล็ก? ฉันไม่รู้

แก้ไขเป้าหมายของคุณคือการวัดที่แม่นยำ 1 nanoVolt จาก Zsource ที่ต่ำมาก คุณจะต้องใช้สายไฟบางส่วนจาก "เซ็นเซอร์ shunt" ไปยัง PreAmplifier สายเหล่านั้นเป็นเส้นทางของผู้สมัครสำหรับขยะทุกประเภท พลังงาน 60Hz ทุกบิตจากพลังงาน 120Hz ประมาณเมตรจะสำรวจสายไฟเหล่านั้นเพื่อการนำไฟฟ้าที่มีประโยชน์ และก้อนอิฐสีดำสวิตชิ่งเรกกิ้งก็ต้องการเส้นทางกลับ

ตรวจสอบการแยกแผ่นเสียงและคาร์ทริดจ์ การป้องกันการใช้สายที่ 5 (นอกเหนือไปจาก 4 สายจากเซ็นเซอร์ช่องสัญญาณ LeftRight) คุณต้องลดการใช้สาย 4 + 1 เพื่อลดพลังงานภายนอก ระยะทางอาจเป็นเพื่อนคนเดียวของคุณ ยังมีความหวัง นี่คือภาพของ "สนามแข่ง" หม้อแปลงไฟฟ้าวิธีการที่ดีที่สุดสำหรับการแยก Efield ที่ดีที่สุดระหว่าง 117VAC / 220VAC และ DC ดิบที่ถูกต้อง (ก่อนเข้าสู่ ShuntReg):

โปรดทราบว่าตัวหลักและตัวรองอยู่ในรูปแบบขดลวดแยกลดการเชื่อมต่อแบบแยกส่วนของถังขยะสายไฟเข้าไปใน Preamp ซึ่งถังขยะนั้นต้องการเส้นทางกลับไปยังพื้นดินด้านนอกอาคารด้วยสายไฟที่เซ็นเซอร์เป็นส่วนหนึ่งของ เส้นทางที่สำรวจ

สำหรับความถี่สูงให้ใช้หม้อแปลง (ขดลวดแกนอากาศ) เพื่อต่อสู้กับปัญหาแรงดันไฟฟ้าต่ำ ในฐานะที่เป็นเครื่องขยายเสียงใช้ triodes พวกเขามีสัญญาณรบกวนต่ำ ใช้ตัวต้านทานฟอยล์โลหะหรือลวดพันแผลและพยายามเก็บไว้ในอุณหภูมิต่ำ

หากสัญญาณเป็น AC และ narrowband แล้วทำไมไม่ใช้หม้อแปลงที่ปรับจูนมาเพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้าถึงระดับที่เหมาะสมซึ่งเทคนิคปกติจะใช้งานได้?

หม้อแปลงมีDCRต่ำและมีเสียงรบกวนจากความร้อนต่ำ หากมีการป้องกันที่ดีก็จะเป็นประโยชน์อย่างมาก

นี่คือการออกแบบ OpAmp โดยใช้ 1 nanoVolt ความหนาแน่นของเสียง OpAmps ใน Avcl = 60dB และ 100dB; ขั้นตอนที่ 1 คือ DC แบบคู่เพื่อหลีกเลี่ยงตัวเก็บประจุขนาดใหญ่ (เสี่ยงต่อการถูกรบกวนจาก Efield); ขั้นตอนที่ 2 ถูกบล็อค DC ในเครือข่ายที่ได้รับ เพื่อความสนุกฉันได้รวมการรบกวน PowerSupply 10 มิลลิโวลต์ไว้ในแต่ละ OpAmp ผลลัพธ์? SNR คือ -70dB Vout คือ 29milliVolts; เสียงความร้อนคือ 1 โวลต์ เสียงของแหล่งจ่ายไฟคือ 93 โวลต์ [หากไม่มีแหล่งจ่ายไฟระลอก SNR คือ -31.5 dB]

และนี่คือสาเหตุที่ถังขยะ PowerSupply ผ่านมาอย่างแรง: OpAmp PSRR มีเพียง 80dB (ค่าเริ่มต้น) และ LsRsCs ใน OpAmp VDD ไม่มีผลกระทบกับ 60/120 ripple (หมวกต้องมีขนาดใหญ่กว่ามากและ series Rs ที่ อย่างน้อย 10X ใหญ่กว่า)

ตอนนี้เพิ่มประโยชน์ของ Lockon Amplifer: จำลองเป็น bandpass 25Hertz ด้วย Q = 100 SNR ปรับปรุง (ด้วยอินพุต 1nanoVoltPP) จาก -30dB ถึง -5dB หมายเหตุที่มุมขวาบนฉันคลิก "Gargoyles" และ "PSI" หมายเหตุใต้หน้าต่าง SNR / ENOB ฉันตั้งค่า FOI FrequencyOfInterest เป็น 25Hz เท่าที่จำเป็นเนื่องจากตัวกรอง highQ และฉันใช้ตัวกรอง LowPass LRC ดังนั้นฉันจึงสามารถวางเสียงสะท้อน LC ที่ 25.00Hz โดยใช้แผ่นงาน ที่ Q = 100 สิ่งนี้จำเป็น

นี่คือพล็อตเสียงรบกวนซึ่งครอบคลุม 24 ถึง 26Hz สังเกตุเห็นว่ามีแหล่งกำเนิดเสียงรบกวนมากมายที่ระบุไว้ทางด้านขวามือ แต่มีเพียงเสียงแอมป์และ Rg เท่านั้นที่มีความสำคัญ Rg คือ 10.01 โอห์มต่อกราวด์ตั้งค่าอัตราขยาย 60dB ของ Buffered Gain Follower อีกครั้ง Rnoise ของ opamp แรกคือ 62_ohms หรือ 1.0nv / rtHz