एक छोटे प्रतिरोध में एक nV सिग्नल को प्रवर्धित करना

Question

मैं एक छोटे प्रतिरोध में एक nV स्तर (या अन्यथा बहुत छोटा माना जाता है) संकेत को बढ़ाने / मापने की व्यवहार्यता में दिलचस्पी रखता हूं।

प्रतिरोध के छोटे मूल्य के कारण, बहुत छोटे थर्मल शोर के कारण इस संकेत का SNR अपने आप में इतना बुरा नहीं है। मेरी मुख्य चिंता यह है कि व्यावसायिक रूप से उपलब्ध कम-शोर एम्पलीफायरों को अनिवार्य रूप से कुछ एनवी प्रति वर्ग रूट हर्ट्ज के स्तर पर इनपुट शोर को जोड़ने के लिए लगता है, जाहिर है कि सिग्नल को गिला कर रहा है।

क्या मेरे पास कोई अन्य विकल्प है? मैं सोच रहा था कि छोटे प्रतिरोध के कारण, मुझे ऐसे उच्च इनपुट प्रतिरोध वाले एम्पलीफायर की आवश्यकता नहीं हो सकती है, जो आंशिक रूप से शोर का कारण हो सकता है? मुझे यकीन नहीं है।

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आपका बजट और एप्लिकेशन क्या है?

— टोनी स्टीवर्ट Sunnyskyguy EE75

सबसे अधिक संभावना नहीं अन्य विकल्प

— टोनी स्टीवर्ट Sunnyskyguy EE75

@ ओरम आपके सिग्नल की बैंडविड्थ क्या है? क्या आपके सिग्नल में एक डीसी घटक है जिसे संरक्षित करने की आवश्यकता है?

— ऑटिस्टिक

@ TonyStewart.EEsince'75 एप्लिकेशन संवेदन है, और बजट को उचित (<$ 100) रहना है।

— ओरम

@ स्वत: डीसी को संरक्षित करने की आवश्यकता नहीं है। सिग्नल को एक ही आवृत्ति पर माना जा सकता है।

— ओरम

Answer 1

ब्याज का स्पेक्ट्रम महत्वपूर्ण है: कुछ अन्यथा बहुत अच्छे प्रवर्धन वाले उपकरणों में 10Hz से कम आवृत्तियों पर अतिरिक्त उच्च शोर होता है।

दो विकल्प विचार करने योग्य हैं: पहला द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर है जो एक ऑपैंप दूसरे चरण से पहले उपयोगी लाभ प्रदान करता है।

सीधे ओपैंप पर क्यों नहीं जाते? वे बहुत शोर कर रहे हैं, बहुत कम 1 nV / rtHz के नीचे इनपुट शोर वोल्टेज है , और आप उससे बेहतर करना चाहते हैं।

पीएनपी ट्रांजिस्टर को पसंद किया जाता है, उनके निचले आधार प्रसार प्रतिरोध के लिए धन्यवाद। कुछ साल पहले एक अच्छी प्रतिष्ठा के साथ एक उदाहरण 2SC2547 था, डेटशीट अभी भी यहाँ उपलब्ध है ...

पृष्ठ 6 पर निरंतर शोर आकृति के आकृति को देखते हुए, जो 2dB और 4dB आकृति की मदद करते हैं, लेकिन सबसे उपयोगी 3DB नहीं, इसलिए आपको उनके बीच में अंतर करना होगा। लेकिन 1 kHz प्लॉट आईसी = 10mA में न्यूनतम शोर दिखाता है, 3 डीबी शोर आंकड़ा के साथ 10 और 20 ओम के बीच एक स्रोत प्रतिरोध के साथ - इसे 15 ओम कहते हैं।

इसका मतलब यह है कि यह ट्रांजिस्टर, आईसी = 10mA पर, 15 ओम अवरोधक के रूप में शोर हो सकता है - 1 गीगाहर्ट्ज़ पर या उससे ऊपर। नोट 120Hz और 10Hz के लिए घटता है अगर आप कम आवृत्तियों महत्वपूर्ण हैं, तो आपको एक अलग कार्य बिंदु चुनने की अनुमति देता है।

जॉनसन शोर (विकी से) के रूप में गणना की जा सकती है

0.13 * sqrt (R) nV / rtHz।

अतः, 0.9nV nV / rtHz 48 ओम रेसिस्टर का शोर होगा, जबकि यह ट्रांजिस्टर (या 15 ओम रेसिस्टर) 0.5 nV / rtHz देगा।

मैंने इसका उपयोग माइक्रोफ़ोन एम्पलीफायर इनपुट चरणों में किया है, एक विशिष्ट माइक amp इनपुट कॉन्फ़िगरेशन (लंबे समय तक पूंछ वाले जोड़े, दोनों कलेक्टरों में फीडिंग करने वाले वर्तमान स्रोत, प्रत्येक कलेक्टर में 470R या 1K {एक opamp खिलाकर, और यह वही करता है जो टिन पर कहता है।

विनम्र BC214 या नए जैसे कम विदेशी PNP ट्रांजिस्टर यथोचित रूप से अच्छा कर सकते हैं।

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दूसरा विकल्प, यदि ब्याज के स्पेक्ट्रम में डीसी शामिल नहीं है, तो आपके चुने हुए एम्पलीफायर के शोर प्रतिबाधा से आपके स्रोत प्रतिबाधा का मिलान करने के लिए एक स्टेप-अप ट्रांसफार्मर है।

उदाहरण के लिए, यदि आप NEn3434A को 3.5nV / rtHz, या 700 ओम के शोर प्रतिबाधा के साथ चुनते हैं, और आपका स्रोत प्रतिबाधा 1 ओम है, तो आपको 1: 700, या वोल्टेज परिवर्तन अनुपात (बदल अनुपात) के प्रतिबाधा परिवर्तन अनुपात की आवश्यकता होती है 1:26 (sqrt) (700)।

ट्रांसफार्मर का प्राथमिक प्रतिरोध निश्चित रूप से एक शोर स्रोत है: यह प्रतिरोध (और इसलिए शोर) को नीचे रखने के लिए अपेक्षाकृत कुछ मोड़, और बड़े व्यास के तार होना चाहिए। द्वितीयक प्रतिरोध भी मायने रखता है, हालांकि इसका शोर स्टेप अप सेकेंडरी वोल्टेज के ऊपर जोड़ा जाता है।

शोर प्रतिबाधा मिलान आपको जो भी एम्पलीफायर चुनते हैं, उनमें से सर्वश्रेष्ठ प्रदर्शन प्राप्त करने की अनुमति देता है।

Answer 2

एफईटी इनपुट एम्प्स प्रतिरोधों के समान शोर स्रोतों से ग्रस्त नहीं होते हैं, जो कि वे अभी भी तेरा ओम रेंज में इनपुट प्रतिरोधों के साथ <100nVpp शोर हो सकता है ।

एनालॉग डिवाइस एक "32" बिट एडीसी w / preamp बनाता है <100nVpp के इनपुट शोर के साथ, आप शोर के फर्श को बेहतर बनाने की कोशिश करने के लिए कई नमूने निकाल सकते हैं (एक घंटे के लिए 5sps आपको "शोर मुक्त" डेटा के एक जोड़े अतिरिक्त बिट्स देना चाहिए) )।

सामान्य opamps के लिए, AD8000 opamp में केवल ~ 20nVpp शोर 0.1 - 10 हर्ट्ज के बीच है, जो कि पीक-टू-पीक शोर है, रूट-हर्ट्ज नहीं है।

एक ब्रिटिश कंपनी है जो प्रतीत होता है कि गैर-सुपरकंडक्टिंग पिकोवोल्टमीटर है! उनके पास कुछ उपयोगी हो सकता है।

अन्यथा, देखें कि क्या आप किसी के लॉक-इन एम्पलीफायर को उधार ले सकते हैं। लेकिन इनमें से किसी एक का उपयोग करना दिल की बीमारी के लिए नहीं है ।

याद रखें, इससे कोई फर्क नहीं पड़ता कि आप क्या कर रहे हैं, लगभग हमेशा एक और तरीका है , जरूरी नहीं कि एक बेहतर तरीका हो, लेकिन आपके पास आमतौर पर विकल्प होते हैं। चाल उन्हें मिल रही है।

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क्या आप लॉक-इन एम्पलीफायर का उपयोग करने की चुनौतियों पर संक्षिप्त विस्तार कर सकते हैं?

— २१:३

@ ओरम एलाइड में लॉक-इन एम्पलीफायरों से आमतौर पर बड़े, महंगे और काफी जटिल सिस्टम होते हैं, लॉक-इन एम्पलीफायरों में परीक्षण के तहत सर्किट को खिलाने के लिए एसी उत्तेजना तरंग का उपयोग किया जाता है। वे ऐसा करते हैं क्योंकि डीसी के अलावा एक आवृत्ति का उपयोग करके, वे 1 / एफ शोर को नियंत्रित कर सकते हैं। लेकिन पकड़ यह है कि आपके सर्किट को या तो लॉक-इन amp से संचालित किया जाना है या लॉक-इन amp के साथ सिंक्रनाइज़ (बहुत, बहुत अच्छी) होना है। प्रयोगशाला ग्रेड लॉक-इन amp को ठीक से सेट अप और कॉन्फ़िगर करना काफी शामिल प्रक्रिया हो सकती है।

— सैम

Answer 3

यह मेरे लिए बिल्कुल भी स्पष्ट नहीं है कि 'कुछ' nV / sqrt Hz शोर आपके सिग्नल को स्वाइप करता है क्योंकि आपने बैंडविड्थ के बारे में कुछ नहीं कहा है। अगर आपकी बैंडविड्थ बहुत कम है तो कोई समस्या नहीं हो सकती है। ध्यान दें कि यह बैंडविड्थ है अधिकतम आवृत्ति नहीं।

ध्यान दें कि उद्धृत nV / sqrt हर्ट्ज शोर 1 / f कोने की आवृत्ति से ऊपर है और यदि आपकी आवृत्ति कम है, तो आपके पास 1 / f शोर से भी महत्वपूर्ण योगदान हो सकता है। हेलिकॉप्टर एम्पलीफायरों में बहुत कम 1 / एफ शोर होता है, लेकिन अक्सर अपेक्षाकृत उच्च सफेद शोर से पीड़ित होता है।

एक लॉक-इन एम्पलीफायर, कई प्रयोगशालाओं में किट का एक मानक टुकड़ा, प्रभावी रूप से सिंक्रोनस डिमोडुलेशन के कारण बहुत कम बैंडविड्थ है। मॉड्यूलेट और डिमॉड्युलेट करके, कुछ परिस्थितियों में, आप अपने एम्पलीफायर (निरंतर nV / sqrt हर्ट्ज) के सफेद शोर क्षेत्र में काम कर सकते हैं बजाय निचले छोर पर।

यदि संकेत हज़ के कुछ दसियों से ऊपर है, और स्रोत प्रतिबाधा कम है, तो आप इनपुट पर एक साधारण स्टेप-अप ट्रांसफार्मर का उपयोग करके एक बढ़ावा पा सकते हैं। निश्चित रूप से घुमावदार प्रतिरोध से एक जॉनसन-न्यक्विस्ट शोर योगदान होगा। 1: n के साथ ट्रांसफॉर्मर अनुपात 1 / sqrt (n) द्वारा प्रतिबाधा घटाता है और आदर्श रूप से 1 / n द्वारा शोर कम करता है।

यह केवल 'एन' कम शोर एम्पलीफायरों के समानांतर और आउटपुट को समेटकर एक मनमाने ढंग से कम शोर एम्पलीफायर का निर्माण करना संभव है। इनपुट प्रतिबाधा 1 / n के साथ घट जाती है और 1 / sqrt (n) के साथ असंबद्ध शोर कम हो जाता है, इसलिए समानांतर में 100 एम्पलीफायरों में 1/100 इनपुट प्रतिबाधा और (आदर्श रूप से) 1/10 शोर होगा।

यदि आपके पास एक तरल हीलियम क्रायोस्टैट और कुछ डीसी स्क्वॉयड उपलब्ध हैं, तो आप बहुत कम शोर स्तर प्राप्त कर सकते हैं, लेकिन आपका बजट एक एकल केबल के लिए भी भुगतान नहीं करेगा, जो कि अकेले सेटअप करता है।

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एक लॉकिन एम्पलीफायर में स्विच का थर्मल शोर होगा। स्विचिंग दर के भीतर फिट होने के लिए केटी शोर को बार-बार परिवर्तित और मोड़ा जाएगा। पीएलएल को उस मंजिल के खिलाफ काम करना चाहिए।

— analogsystemsrf

Answer 4

इस सर्किट में 1KHz पर 60dB का लाभ है, जो 50Hz से नीचे 86dB तक बढ़ रहा है। शोर तल <1nV / rtHz।

NJFET preamplifier पर विचार करें, DC_blocking के साथ अंतर्निहित क्योंकि preamp RIAA-मुआवजा है और टर्नटेबल wow / flutter को अस्वीकार कर दिया जाना चाहिए। यह सर्किट, diyAudio.com वेबसाइट (इसमें फोरम "सिंपलिस्टिक NJFET RIAA" है) से 60dB का लाभ मिलता है, जिसका उद्देश्य 250 माइक्रोवेट्स को 0.25 वोल्ट में बदलना है। 250microVolts के लिए SNR, एक MoveCoil कारतूस का उत्पादन, प्रभावशाली होगा; इन सर्किट के घर-बिल्डरों (दर्जनों का निर्माण किया गया है) के बारे में बोलते हैं "संगीत आपको पूर्ण शांत से बाहर आता है --- कोई हिस या ह्यूम या बज़, यहां तक ​​कि पावर एम्पलीफायर लाभ के साथ अधिकतम करने के लिए क्रैंक किया गया।"

PowerSupplyRejection (आर 1 गेन सेट और आर 10 गेन सेट पर ध्यान दें) की कुल कमी को देखते हुए, पहले लाभ चरण के लिए सी 5 और सी 6 के साथ सीबाइट और आउटपुट बफर के साथ 45volt रेल से बंधा हुआ है (मिलर को खत्म करने के लिए Q3 द्विध्रुवीय झरना के साथ दोहरी NJFETS) प्रभाव), आपको उपयुक्त SHUNT नियामक का उपयोग करना होगा:

सर्किट "सालास" के डेवलपर भी डायऑडियो के लिए मॉडरेटर्स में से एक है, और शायद तब आपको बहुत मजा आएगा जब आप ड्रॉप-डाउन करते हैं और मूविंगकोइल के अलावा अन्य सेंसर के लिए सर्किट का उपयोग करने के बारे में पूछते हैं। 2SK170 में 1nanoVolt / rtHz के तहत अच्छी तरह से शोर घनत्व है; कुछ लोग समानांतर में 2 का उपयोग करते हैं; कुछ लोग समानांतर में 4 के लिए जाते हैं, शायद एफईटी स्रोतों में कुछ ओम के साथ और अधिक-समान वर्तमान बंटवारे को प्रोत्साहित करने के लिए, भले ही उस मंच का एक व्यापक हिस्सा एनजेएफईटी को मापने और मिलान के 1% के स्तर (1/10 मी) को छाँटने की चर्चा करता है। 10 या 15mA)।

प्रयोगकर्ताओं ने 2 ओम से 10 ओम रेंज में मूविंगकोइल्स से प्रसन्न होने की बात लिखी है; 6 ओम एमसी सेंसर 1nV / sqrt (10) या 0.316nV / rtHz होगा। इस तरह के कम शोर सेंसर का उपयोग करने के लिए एक पर्याप्त बुनियादी ढांचे की आवश्यकता होती है; यहाँ एक ऐसा भौतिक उदाहरण है:

ध्यान दें कि 50 हर्ट्ज का पावर ट्रांसफ़ॉर्मर (अधिकांश बिल्डर्स यूरोप में हैं) और रेक्टिफ़ायर और पहला सीएलसी फ़िल्टरिंग एक रिमोट बॉक्स है, जिसमें मीटर-लंबी केबल्स के साथ 55 वोल्ट्स लाए जाते हैं, फ्रंटग्राउंड में LeftRight चैनल बॉक्स पर, बेहद बाईं ओर शंट रेगुलेटर के साथ / दाईं और वास्तविक RIAA (नोट ढांकता हुआ-संपीड़न से न्यूनतम संगीत-रंग के लिए विशाल ब्लैक फिल्म कैपेसिटर ध्यान दें) बीच में Preamps। एल्युमीनियम के डब्बों पर ध्यान दें। नीचे शंट रेगुलेटर के लिए हीट सिंकिंग भी है। यह फिटकिरी या स्टील हो सकता है? मुझे नहीं पता।

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संपादित करें आपका लक्ष्य 1 नैनोवोल्ट का सटीक माप है। बहुत कम Zsource से। आपको "सेंसर शंट" से प्री-एम्पलीफायर तक कुछ तारों को चलाने की आवश्यकता होगी। वे तार सभी प्रकार के कचरे के लिए उम्मीदवार-पथ हैं। चारों ओर मीटर के लिए, 120Hz ऊर्जा की 60 बिट ऊर्जा, उपयोगी चालकता के लिए उन तारों का पता लगाएगी। और उन ब्लैक-ब्रिक्स, स्विचिंग रेज, को भी रिटर्न पथ की आवश्यकता होती है।

एक टर्नटेबल और कारतूस के अलगाव की जांच करें। परिरक्षण, वाम तार चैनल सेंसर से 5 तार (4 तारों के अलावा) का उपयोग। आपको बाहरी ऊर्जा के लिए उन 4 + 1 तारों के उपयोग को कम करना होगा। दूरी आपका एकमात्र दोस्त हो सकता है। फिर भी उम्मीद है। यहाँ "रेसट्रैक" पावर ट्रांसफ़ॉर्मर की तस्वीर है, जो 117VAC / 220VAC और रेक्टिफाइड रॉ डीसी (ShuntReg में प्रवेश करने से पहले) के बीच सर्वश्रेष्ठ Efield अलगाव के लिए बेशकीमती तरीका है:

ध्यान दें कि प्राइमरी और सेकेंडरी अलग-अलग कॉइल फॉर्म में होते हैं, प्राइमप में पावर-लाइन ट्रैश के कैपेसिटिव कपलिंग को कम करते हुए, यह ट्रैश तब बिल्डिंग के बाहर पृथ्वी की जमीन पर वापस लौटने की मांग करता है, जिसमें तारों के साथ सेंसर का एक हिस्सा होता है रास्ते तलाशे गए

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1nV / rtHz एक FET के लिए बहुत अच्छा है!

— ब्रायन ड्रमंड बाद

"सलास" डिज़ाइन 10-15mA पर पहला एनजेएफईटी संचालित करता है, जिसमें एनजीएफईटी में गर्म इलेक्ट्रॉन शोर (हिमस्खलन) से बचने के लिए नाले पर 7 वोल्ट के साथ उच्च (30 वोल्ट) Vdrains होता है। जैसा कि आप जानते हैं, 2 ऐसे एनजेएफसेट 3 डीबी द्वारा शोर तल को कम करेंगे।

— analogsystemsrf

Answer 5

उच्च आवृत्ति पर, उस कम वोल्टेज की समस्या से लड़ने के लिए ट्रांसफार्मर (एयर कोर कॉइल) का उपयोग करें। एम्पलीफायरों के रूप में, ट्रायोड का उपयोग करें, उनके पास कम शोर है। धातु की पन्नी या तार-घाव प्रतिरोधों का उपयोग करें, और उन्हें कम तापमान पर रखने की कोशिश करें।

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सेंटर फ़्रीक्वेंसी की शुद्धता एसी माप सटीकता को प्रभावित करेगी। हालांकि ओपी ने एक सटीक माप की आवश्यकता पर चर्चा नहीं की है।

— 15 सितंबर को

Answer 6

यदि संकेत एसी और संकीर्ण है तो वोल्टेज को उचित स्तर तक प्राप्त करने के लिए एक ट्यून किए गए ट्रांसफार्मर का उपयोग क्यों न करें जहां सामान्य तकनीक काम करेगी?

ट्रांसफार्मर में कम DCR होता है और इसलिए कम थर्मल शोर होता है। अगर इसे अच्छी तरह से ढाल दिया जाए तो बहुत फायदा होगा।

Answer 7

यहाँ एक OpAmp डिज़ाइन है, जो 1 nanoVolt शोर घनत्व OpAmps का उपयोग करके Avcl = 60dB और 100VB में है; स्टेज 1 डीसी कपल है, विशाल कैपेसिटर से बचने के लिए (ईफ़ील्ड हस्तक्षेप के लिए असुरक्षित); स्टेज 2 का लाभ-सेट नेटवर्क में डीसी-अवरुद्ध है; मज़े के लिए, मैंने प्रत्येक OpAmp में PowerSupply के हस्तक्षेप के 10 मिलीवॉल शामिल किए हैं। परिणाम? SNR -70dB है। Vout 29milliVolts है; थर्मल शोर 1 वोल्ट है; बिजली की आपूर्ति का शोर 93 वोल्ट है। [बिजली की आपूर्ति तरंग के बिना, SNR -31.5 dB है]

और यहाँ क्यों PowerSupply कचरा इतनी दृढ़ता से आता है: OpAmp PSRR केवल 80dB (डिफ़ॉल्ट मान) है और OpAmp VDD पर LsRsCs का 60/120 लहर पर कोई प्रभाव नहीं है (कैप्स को बहुत बड़ा होने की आवश्यकता है, और श्रृंखला में रु। कम से कम 10X बड़ा)।

अब लॉकऑन एम्पलीफायर का लाभ जोड़ें: क्यू = 100 के साथ 25 हर्ट्ज बैंडपास के रूप में तैयार किया गया। एसएनआर -30 डीबी से -5 डीबी तक (1nanoVoltPP इनपुट के साथ) में सुधार होता है। ध्यान दें, ऊपरी दाएं में, मैंने "गार्गॉयल्स" और "पीएसआई" पर क्लिक किया। यह भी ध्यान दें, एसएनआर / ईएनओबी विंडो के नीचे, मैं उच्च आवृत्ति फिल्टर के कारण आवश्यक 25Hz के लिए एफओआई फ्रीक्वेंसीऑफइंटरेस्ट मान सेट करता हूं। और मैंने लोपास फ़िल्टर एलआरसी चरण का उपयोग किया, इसलिए मैं कार्यपत्रक का उपयोग करके एलसी अनुनाद को ठीक 25.00 हर्ट्ज पर रख सकता हूं; Q = 100 पर यह आवश्यक है।

यहां 24 से 26 हर्ट्ज को कवर करने के लिए शोर की साजिश है। दाहिने ओर से सूचीबद्ध कई शोर स्रोतों पर ध्यान दें, लेकिन केवल एम्पलीफायर शोर और आरजी महत्वपूर्ण हैं। आरजी 10.01 ओम जमीन पर है, जो उस बफर गेन फॉलोअर के 60dB लाभ को निर्धारित करता है। फिर से, पहले opamp की Rnoise 62_ohms या 1.0nv / rtHz है।