高入力インピーダンスアンプのジョンソンノイズを回避する方法

私が取り組んでいる回路がありません。これは理論的な質問です-私は私の理解の欠陥を是正しようとしています。

数nV /√Hzのノイズで、低mV範囲で動作する高入力インピーダンスアンプを構築したいとします。1-100KHzの差動信号を増幅したい。最初は、良質の計装アンプ（例：AD8421）から始めて、コンデンサを両方の入力と直列に接続しました。

しかし、それには問題があります。入力にはグランドへのDCパスがないため、ゆっくりとドリフトし、出力をレールします。したがって、各入力のグラウンドに抵抗を追加する必要があります。下の図の最初の回路を参照してください。その抵抗により、アンプの入力インピーダンスが設定されます。これは、約100MΩにしたいと考えています。しかし、ジョンソンノイズを計算すると、2つの100MΩ抵抗から予想される /√Hz$\sqrt{2} \times \sqrt{4k_BTR}$

それで、私は低ノイズまたは高インピーダンスではなく両方を持つことができるという結論に達しました。次に、3.6 nV /√Hzの入力ノイズと100MΩの入力インピーダンスで指定されている商用入力プリアンプを見つけました。中を覗いてみたところ、右の回路を使っているようです。

^{この回路のシミュレーション – CircuitLabを使用して作成された回路図}

右側の2つのFETは一致ペア（googleのデータシート）であり、アンプの最初のステージを形成します。回路のリバースエンジニアリングはしていませんが、必要に応じて行うことができます。

だから私の質問は：私の理解の何が悪いのですか？2番目の回路に抵抗器からの約1-2μV/√Hzのホワイトノイズがないのはなぜですか？

推論の問題は、信号の完全なパスを示さないことです。より具体的な信号のインピーダンスレベル。

高インピーダンスと低ノイズの両方を持つことはできません。低ノイズが必要な場合は、インピーダンスを低く保つ必要があります。そのような単純な。

描いた2つの回路では、信号をアンプに送るために使用する信号源のインピーダンスが何であるかがはっきりしていません。ACカップリングコンデンサが大きく、このソースインピーダンスが低い（たとえば、50オーム）と仮定すると、ノイズは低くなります。

どうして ？100 Mohm DCバイアス抵抗によって生成されるノイズは、ACカップリングコンデンサとその低いソースインピーダンスによって短絡されるためです。したがって、この状況では、（特定の周波数での）有効な信号インピーダンスは100 Mohmよりはるかに低くなります。その結果、低ノイズになります。

50オームのソースインピーダンスがなかった場合、そのノイズ電流は抵抗自体の100 Mオームと乗算されて、ノイズレベルが高くなります。

100 Mohmの抵抗によって生成されるノイズ電流を考慮することで、これをより簡単に計算できます。その電流は、信号源インピーダンス（たとえば、50オーム）で乗算され、小さなノイズ電圧になります。

したがって、右側の回路は左側の回路と同じです。それらが低ノイズをどのように測定したかを注意深く読み、入力信号のインピーダンスレベルが何であったかを理解してみてください。100 Mohm DCバイアス抵抗のノイズを無視できるようなソースインピーダンスが使用されていることを保証します（非常に低いソースインピーダンスで、入力が短絡/接地されている可能性もあります！）。その回路では、FETのノイズが支配的である必要があります。これは、FETが最低限のノイズレベルを決定するためです（少なくとも適切に設計されたアンプでは）。

このアンプを信号源に接続しているため、この200Mインピーダンスは信号源インピーダンスと並列であることに注意してください。

入力開回路でアンプのノイズを測定すると、予測ノイズが表示されます。（さらに、入力での電界からの寄与。これを適切に測定するには、スクリーニングが必要になる場合があります）

入力を短絡してアンプのノイズを測定すると、アンプ自体の固有のノイズがわかります。

アンプが接続されている実際のソースインピーダンスでアンプのノイズを測定すると、アンプ自体の固有のノイズが表示されます。これとソースインピーダンスのノイズだけの比率は、アンプの「ノイズフィギュア」です。

10メガオームのソース抵抗（レッグトゥレッグ）を使用すると、並列の2つの抵抗器からのジョンソンノイズが表示されます。10メガと200メガなので、10メガ抵抗だけの場合よりもノイズが0.5 dB少なくなる可能性があります（ただし、同じように信号を減衰させています）。分数も）

容量性ソース（30pfマイクカプセルなど）では、ソースインピーダンスは並列RCネットワークなので、ジョンソンノイズは200Mからのノイズ電圧として扱い、200Mソースインピーダンスによって30pFコンデンサに減衰されます。名目上は-3dB周波数までフラットで、その後6dB /オクターブ減少します。