小さな抵抗でnV信号を増幅する

小さい抵抗でnVレベル（または非常に小さいと仮定）の信号を増幅/測定する可能性に興味があります。

この信号のSNRは、抵抗値が小さいために非常に小さい熱ノイズのため、それほど悪くはありません。私の主な関心事は、市販の低ノイズアンプは必然的に平方ヘルツあたり数nVのレベルで入力ノイズを追加し、明らかに信号を圧迫するように見えることです。

他のオプションはありますか？私は、抵抗が小さいため、このような高い入力抵抗を持つアンプは必要ないかもしれないと考えていました。よく分かりません。

対象のスペクトルは重要です。その他の非常に優れた増幅デバイスには、10Hz未満の周波数で非常に高いノイズがあります。

2つのオプションを検討する価値があります。1つ目は、オペアンプの2番目のステージの前に有用なゲインを提供するバイポーラトランジスタです。

オペアンプに直行しませんか？それらはかなりノイズが多く、1 nV / rtHz未満の入力ノイズ電圧を持つものはほとんどありません。

ベース拡散抵抗が低いため、PNPトランジスタが推奨されます。数年前に評判が良かった例の1つは、2SC2547でした。データシートはまだここにあります...

6ページの一定の雑音指数の等高線を見てください。2dBと4dBの等高線が有効にプロットされていますが、最も有用な3dBはありません。そのため、それらの間を補間する必要があります。しかし、1 kHzプロットは、Ic = 10mAでノイズの最小値を示し、10から20オームのソース抵抗で3 dBのノイズ指数を示します-15オームと呼びます。

つまり、このトランジスタは、Ic = 10mAで、1オーム以上の15オームの抵抗と同じくらいノイズが大きい可能性があります。120Hzおよび10Hzのノートカーブでは、低い周波数が重要な場合、別の動作点を選択できます。

ジョンソンノイズ（Wikiから）は、次のように計算できます。

0.13 * sqrt（R）nV / rtHz。

したがって、0.9nV nV / rtHzは48オームの抵抗のノイズになり、このトランジスタ（または15オームの抵抗）は0.5 nV / rtHzになります。

マイクアンプの入力段、典型的なマイクアンプ入力構成（ロングテールペア、両エミッターに給電する電流源、各コレクターに470Rまたは1Kを供給する{オペアンプに給電し、スズで言うことを行います）で使用しました。

謙虚なBC214以降のような、あまりエキゾチックではないPNPトランジスタも、かなりうまくいくかもしれません。

2番目のオプションは、対象のスペクトルにDCが含まれていない場合、ソースインピーダンスを選択したアンプのノイズインピーダンスに一致させるステップアップトランスです。

たとえば、3.5nV / rtHzのNE5534A、または700オームのノイズインピーダンスを選択し、ソースインピーダンスが1オームの場合、1：700のインピーダンス変換比、または次の電圧変換比（巻数比）が必要です。 1:26（sqrt（700）。

変圧器の一次抵抗は、もちろんノイズ源です。抵抗（およびノイズ）を低く抑えるために、比較的少ない巻数と大きな直径のワイヤにする必要があります。二次抵抗も問題になりますが、そのノイズは昇圧された二次電圧の上に追加されます。

ノイズインピーダンスマッチングにより、選択したアンプから最高のパフォーマンスを引き出すことができます。

FET入力アンプは、それらが依然として入力抵抗とノイズ<100nVppを持つことができる方法であり、抵抗と同じノイズ源から受けないテラオームの範囲。

アナログデバイスは、入力ノイズが<100nVppのプリアンプ付きの「32」ビットADCを作成します。ノイズフロアを改善するために、多くのサンプルを平均化できます（1時間5spsで、「ノイズのない」データの追加ビットが得られます） ）。

一般的なオペアンプについては、AD8000オペアンプのノイズは0.1〜10Hzで最大20nVppであり、これはroot-Hzではなくピーク間ノイズです。

一見非超電導ピコ電圧計を製造している英国の会社があります！彼らは何か役に立つかもしれません。

そうでなければ、誰かのロックインアンプを借りることができるかどうかを確認してください。しかし、これらのいずれかを使用することは、心臓の弱い人のためではありません。

覚えておいて、あなたが何をしているのかは問題ではありません、ほとんど常に別の方法があり、必ずしもより良い方法ではありませんが、通常は選択肢があります。秘Theはそれらを見つけることです。

帯域幅については何も言わなかったので、「数」nV / sqrt Hzのノイズが信号を圧倒することは、私にはまったくわかりません。帯域幅が非常に低い場合、問題はない可能性があります。最大周波数ではなく帯域幅であることに注意してください。

引用されたnV / sqrt Hzノイズは1 / fコーナー周波数を上回っています。周波数が低い場合は、1 / fノイズからもかなりの寄与があることに注意してください。チョッパーアンプは1 / fノイズがはるかに少ないですが、多くの場合、比較的高いホワイトノイズに悩まされます。

多くのラボの標準キットであるロックインアンプは、同期復調のために帯域幅が事実上非常に低くなっています。変調および復調することにより、状況によっては、アンプのホワイトノイズ領域（一定のnV / sqrt Hz）ではなく、下端で動作することができます。

信号が数十Hzを超え、ソースインピーダンスが低い場合、入力に単純な昇圧トランスを使用することでブーストを得ることができます。もちろん、巻線抵抗によるジョンソンナイキストノイズの寄与があります。1：n巻数比のトランスは、理想的にはインピーダンスを1 / sqrt（n）減らし、ノイズを1 / n減らします。

「n」個の低ノイズアンプを並列接続し、出力を加算するだけで、任意の低ノイズアンプを構築することもできます。入力インピーダンスは1 / nで減少し、無相関ノイズは1 / sqrt（n）で減少するため、並列の100個のアンプは入力インピーダンスが1/100で、理想的にはノイズが1/10になります。

液体ヘリウムクライオスタットといくつかのDC SQUIDを使用できる場合、ノイズレベルをはるかに低くすることができますが、セットアップはもちろん、1本のケーブルでも予算はかかりません。

この回路のゲインは1KHzで60dBで、50Hz未満では86dBに上昇します。ノイズフロア<1nV / rtHz。

プリアンプはRIAA補償されており、ターンテーブルのワウ/フラッターを拒否する必要があるため、DC_blockingが固有のNJFETプリアンプを検討してください。diyAudio.com Webサイト（このフォーラムは「Simplistic NJFET RIAA」）からのこの回路は、250マイクロボルトを0.25ボルトに変換するための60dBのゲインを提供します。MovingCoilカートリッジの出力である250microVoltsのSNRは印象的です。これらの回路のホームビルダー（数十台が製造されています）は、「音楽は絶対に静かに聞こえます-パワーアンプのゲインを最大に上げても、ヒス音やハム音、バズはありません。」

PowerSupplyRejectionが完全に不足していることを考えると（R1ゲインセットとR10ゲインセットは、第2ゲインステージと出力バッファー用にC5とC6であるにもかかわらず、45ボルトレールに接続されていることに注意）効果）、適切なSHUNTレギュレーターを使用する必要があります：

回路「salas」の開発者もdiyAudioのモデレーターの1人であり、MovingCoils以外のセンサー用の回路の使用について質問する場合は、おそらく面白いでしょう。2SK170のノイズ密度は1nanoVolt / rtHzを大きく下回ります。2を並行して使用する人もいます。フォーラムの大部分でNJFETが1％レベルのマッチング（1 / 10ma 10または15mA）。

実験者は、2Ωから10Ωの範囲のMovingCoilsに満足していると書いています。6オームのMCセンサーは1nV / sqrt（10）または0.316nV / rtHzです。このような低ノイズセンサーを使用するには、かなりのインフラストラクチャが必要です。そのような物理的な例の1つを次に示します。

50Hzの電源トランス（ほとんどのビルダーはヨーロッパにあります）と整流器および最初のCLCフィルタリングはリモートボックスであり、メーターの長さのケーブルが55ボルトをフォアグラウンドのLeftRightチャネルボックスに送り、シャントレギュレーターが左端にあることに注意してください/ rightと実際のRIAA（誘電圧縮による音楽的な色付けを最小限にするための巨大な黒いフィルムコンデンサーに注意してください）中央のプリアンプ。重いアルミの箱に注意してください。下部は、シャントレギュレータのヒートシンクでもあります。それはミョウバンまたはスチールかもしれませんか？知りません。

編集目標は、1ナノボルトの正確な測定です。非常に低いZsourceから。「センサーシャント」からPreAmplifierへの配線をいくつか実行する必要があります。これらのワイヤは、あらゆる種類のゴミの候補パスです。60メートルのエネルギー、120メートルのエネルギー、周囲のメートルのエネルギーのすべてのビットは、有用な伝導性のためにそれらのワイヤを探索します。そして、それらのブラックブリック、regを切り替えるには、リターンパスも必要です。

ターンテーブルとカートリッジの分離を調べます。シールド、5番目のワイヤの使用（LeftRightチャネルセンサーからの4ワイヤに加えて）。外部エネルギーのために、これらの4 + 1ワイヤの使用を最小限に抑える必要があります。距離はあなたの唯一の友達かもしれません。しかし、希望はあります。これは、「レーストラック」電源トランスの写真です。117VAC/ 220VACと整流された生DC（ShuntRegに入る前）の間で最高の電界分離を行うための優れた方法です。

一次と二次は別々のコイル形式で、プリアンプへの電力線のゴミの容量結合を最小限に抑えることに注意してください。探索されたパス。

高周波では、トランス（空芯コイル）を使用して、その低電圧問題に対処します。アンプとして、三極管を使用し、低ノイズです。金属箔または巻線抵抗器を使用して、低温に保つようにしてください。

信号がACで狭帯域の場合、チューニングされたトランスを使用して、通常の手法が機能する適切なレベルまで電圧を上げてみませんか？

トランスのDCRは低いため、熱ノイズは低くなります。十分にシールドされていれば、大きなメリットがあります。

以下は、Avcl = 60dBおよび100dBで1ナノボルトのノイズ密度のOpAmpを使用したOpAmp設計です。ステージ1はDC結合で、巨大なコンデンサを回避します（電界干渉の影響を受けやすい）。ステージ2は、ゲインセットネットワークでDCブロックされます。楽しみのために、各オペアンプに10ミリボルトのPowerSupply干渉を含めました。結果？SNRは-70dBです。Voutは29ミリボルトです。熱雑音は1ボルトです。電源ノイズは93ボルトです。[電源リップルなしで、SNRは-31.5 dBです]

PowerSupplyのゴミが非常に強く通過する理由は次のとおりです。OpAmpPSRRは80dB（デフォルト値）のみであり、OpAmp VDDのLsRsCsは60/120のリップルに影響しません（Capsはもっと大きくする必要があり、シリーズRsは少なくとも10倍大きい）。

次に、Lockon Ampliferの利点を追加します。Q= 100の25Hertzバンドパスとしてモデル化されています。SNRは（1nanoVoltPP入力で）-30dBから-5dBに改善されます。右上の「Gargoyles」と「PSI」をクリックしたことに注意してください。また、SNR / ENOBウィンドウの下では、highQフィルターのために必要なFOI FrequencyOfInterest値を正確に25Hzに設定しています。また、LowPass Filter LRCステージを使用したため、ワークシートを使用してLC共振を25.00Hzに正確に配置できました。Q = 100ではこれが必要です。

これは、24〜26Hzをカバーするノイズプロットです。右側にリストされている多くのノイズ源に注意してください。ただし、重要なのはアンプのノイズとRgだけです。Rgはグランドまでの10.01オームで、そのバッファゲインフォロワの60dBゲインを設定します。繰り返しますが、最初のオペアンプのRnoiseは62_ohms、つまり1.0nv / rtHzです。