Bagaimana menghindari kebisingan Johnson di amplifier impedansi masukan tinggi

Saya tidak memiliki sirkuit yang sedang saya kerjakan, ini lebih merupakan pertanyaan teoretis - Saya mencoba untuk memperbaiki kesalahan dalam pemahaman saya.

Bayangkan saya ingin membangun penguat impedansi masukan tinggi untuk bekerja dalam kisaran mV rendah, dengan beberapa noise nV / √Hz. Saya ingin memperkuat sinyal diferensial 1-100KHz. Awalnya, saya akan mulai dengan penguat instrumentasi berkualitas baik (misalnya AD8421 ) dan hanya menempatkan kapasitor secara seri dengan kedua input.

Tapi itu punya masalah. Tidak ada jalur DC ke ground pada input, jadi mungkin akan perlahan-lahan menjauh dan menyambungkan output. Jadi saya perlu menambahkan resistor ke ground pada setiap input. Lihat sirkuit pertama pada diagram di bawah ini. Resistor itu akan mengatur impedansi input amplifier saya, yang saya inginkan sekitar 100MΩ. Tetapi jika saya menghitung derau Johnson yang saya harapkan dari dua resistor 100MΩ saya mendapatkan ≈ 1,7 μV / √Hz $\sqrt{2} \times \sqrt{4k_BTR}$

Jadi saya sampai pada kesimpulan bahwa saya bisa memiliki noise rendah atau impedansi tinggi, tetapi tidak keduanya. Saya kemudian menemukan preamplifier input komersial yang ditentukan pada kebisingan input 3,6 nV / √Hz dan impedansi input 100MΩ. Saya telah melihat ke dalam, dan tampaknya mereka menggunakan sirkuit di sebelah kanan.

skema

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Dua FET di sisi kanan adalah pasangan yang cocok ( lembar data dari google ), dan membentuk tahap pertama dari amplifer. Saya tidak merekayasa balik sirkuit, tetapi saya bisa jika perlu.

Jadi pertanyaan saya adalah: Apa yang salah dengan pemahaman saya? Mengapa rangkaian kedua tidak memiliki sekitar 1-2μV / √Hz white noise dari resistor?

— Jack B
sumber

Resistansi termal dan arus derau juga tergantung pada bahan yang mengapa film logam selalu lebih disukai daripada film karbon dalam nilai R tinggi dan arus prategangan masukan terendah lebih disukai untuk amplifier

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

Saya setuju dengan itu, perhatikan bahwa kontribusi kebisingan ini datang di atas 4KTR teoritis. Sebuah resistor ideal (yang tidak dapat Anda beli) akan memiliki noise 4KTR, resistor nyata akan selalu memiliki lebih banyak noise.

— Bimpelrekkie

Biasanya didominasi oleh impedansi sumber kecuali Anda mengukur sumber Z tinggi. Maka Anda harus mengevaluasi mode umum Zdm dan Zcm secara terpisah dengan CMRR

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

Jawaban:

Masalah dalam alasan Anda adalah bahwa Anda tidak menunjukkan jalur lengkap sinyal. Lebih spesifik tingkat impedansi sinyal.

Anda benar karena Anda tidak dapat memiliki impedansi tinggi dan noise rendah. Jika Anda ingin noise rendah, Anda harus menjaga impedansi rendah. Sederhana seperti itu.

Dalam dua rangkaian yang telah Anda buat, tidak jelas apa impedansinya dari sumber yang Anda gunakan untuk memberi makan sinyal ke amplifier Anda. Dengan asumsi bahwa kapasitor kopling AC besar dan impedansi sumber ini rendah (misalnya: 50 ohm) maka suara akan rendah!

Mengapa Karena kebisingan yang dihasilkan oleh resistor bias 100 Mohm DC akan disingkat oleh kapasitor kopling AC dan impedansi sumber rendah. Jadi dalam situasi ini impedansi sinyal efektif (pada frekuensi tertentu) jauh lebih rendah dari 100 Mohm. Menghasilkan kebisingan yang rendah.

Jika impedansi sumber 50 ohm tidak ada di sana, arus derau akan dikalikan dengan 100 Mohm dari resistor itu sendiri yang menghasilkan tingkat derau yang tinggi.

Anda dapat melakukan perhitungan ini dengan lebih mudah dengan mempertimbangkan arus derau yang dihasilkan oleh resistor 100 Mohm. Arus itu akan dikalikan dengan impedansi sumber sinyal (misalnya, 50 ohm) yang menghasilkan tegangan noise kecil!

Jadi sirkuit di sebelah kanan tidak lebih baik dari sirkuit Anda di sebelah kiri. Baca dengan cermat bagaimana mereka mengukur kebisingan yang rendah dan mencoba mencari tahu apa level impedansi dari sinyal input. Saya menjamin Anda bahwa mereka akan menggunakan sumber impedansi sehingga kebisingan dari 100 resistor biasing DC Mohm dapat diabaikan (impedansi sumber yang sangat rendah, mereka bahkan mungkin telah memperpendek / membumikan input!). Dalam rangkaian itu, kebisingan FET harus dominan karena ini harus menentukan tingkat kebisingan serendah mungkin (setidaknya dalam amplifier yang dirancang dengan baik).

— Bimpelrekkie
sumber

Aha! Ya, itu masuk akal. Jadi jika saya menggunakan penguat komersial pada sumber <600Ω, saya akan melihat nilai pengenal. Jika saya menggunakannya dengan sumber resistif 10MΩ, saya akan melihat kebisingan Johnson sekitar 10MΩ (jelas). Dan jika saya menggunakannya dengan sumber kapasitif setara 10MΩ, saya masih akan melihat tingkat kebisingan yang lebih tinggi. Apakah saya benar?

— Jack B

Ya, itu hanyalah level impedansi pada frekuensi itu. Dengan sumber 10 MΩ Anda memang akan melihat tingkat kebisingan sesuai dengan 10 MΩ. Mempertimbangkan impedansi kapasitor dll karena mereka mempengaruhi kebisingan.

— Bimpelrekkie

Sebuah pertanyaan lanjutan jika saya boleh: apakah ini batas mendasar, atau bisakah saya (secara hipotetis, itu tidak layak dilakukan dalam sistem nyata) menemukan jalan keluarnya? Dengan misalnya menggunakan induktor besar alih-alih resistor, atau dengan menghilangkan resistor dan kadang-kadang menutup relai untuk membuat jalur ke ground dan melepaskan tutup kopling AC.

— Jack B

Memang jika Anda dapat membiasakan rangkaian menggunakan (sebenarnya) elemen tanpa suara seperti induktor. Untuk sirkuit RF (frekuensi radio), sangat umum untuk menerapkan bias melalui induktor. Atau buat tegangan bias menggunakan resistor berisik, atenuasi (filter) kebisingan dengan kapasitor besar dan terapkan melalui induktor. Dimana induktor akan memiliki impedansi tinggi pada frekuensi sinyal.

— Bimpelrekkie

Ingat bahwa Anda menghubungkan amplifier ini ke sumber sinyal, jadi impedansi 200M ini paralel dengan impedansi sumber.

Ukur suara penguat dengan sirkuit terbuka input dan Anda akan melihat suara yang diprediksi. (ditambah kontribusi dari medan listrik apa pun pada input; Anda mungkin perlu menyaring untuk mengukur ini dengan benar)

Ukur suara penguat dengan input hubung singkat dan Anda akan melihat suara penguat sendiri.

Ukur suara penguat dengan impedansi sumber sebenarnya yang akan terhubung dan Anda akan melihat suara yang melekat pada penguat itu sendiri. Rasio ini terhadap noise impedansi sumber saja adalah "figur noise" amplifier.

Dengan resistansi sumber 10Megohm (kaki ke kaki) Anda akan melihat suara Johnson dari 2 resistor secara paralel - 10Meg dan 200 Meg, sehingga Anda mungkin melihat noise kurang 0,5dB dibandingkan dengan resistor 10Meg saja (tetapi Anda telah melemahkan sinyal dengan cara yang sama fraksi juga)

Dengan sumber kapasitif - seperti kapsul mikrofon 30pf, impedansi sumber adalah jaringan RC paralel, jadi perlakukan derau Johnson sebagai tegangan derau dari 200M, dilemahkan oleh impedansi sumber 200M ke kapasitor 30pF. Secara nominal akan datar hingga -3dB, kemudian dikurangi dengan 6dB / oktaf.

— Brian Drummond
sumber