通过小电阻放大nV信号

我对在小电阻上放大/测量nV电平（或假设非常小的）信号的可行性感兴趣。

该信号的SNR本身并没有那么糟糕，因为电阻值很小，因此热噪声非常小。我主要担心的是，市售的低噪声放大器似乎不可避免地会在每平方根赫兹几nV的水平上增加输入噪声，显然会淹没信号。

我还有其他选择吗？我当时在想，由于电阻小，我可能不需要放大器那么高的输入电阻，而这可能会部分引起噪声？我不确定。

感兴趣的频谱很重要：否则，某些非常好的放大设备在低于10Hz的频率下会产生额外的高噪声。

值得考虑的两个选择：第一个是双极晶体管，可在运算放大器的第二级之前提供有用的增益。

为什么不直接去运算放大器？它们非常嘈杂，很少有输入噪声电压低于1 nV / rtHz，并且您想做得更好。

由于PNP晶体管的基极扩展电阻较低，因此是首选。几年前享有盛誉的一个例子是2SC2547，数据表仍在这里提供...

查看第6页上的恒定噪声图的轮廓，可以帮助绘制2dB和4dB的轮廓，但不是最有用的3dB，因此您必须在它们之间进行插值。但是1 kHz曲线显示在Ic = 10mA时噪声最小，噪声系数为3dB，源电阻在10到20欧姆之间-称为15欧姆。

这意味着在Ic = 10mA时，该晶体管的噪声可能与15 ohm电阻一样高-在1 kHz或更高。如果较低的频率很重要，则120Hz和10Hz的曲线可让您选择不同的工作点。

约翰逊噪声（来自Wiki）可以计算为

0.13 * sqrt（R）nV / rtHz。

因此，一个48欧姆电阻的噪声为0.9nV nV / rtHz，而该晶体管（或15欧姆电阻）的噪声为0.5 nV / rtHz。

我已经在麦克风放大器输入阶段（典型的麦克风放大器输入配置）中使用了它（长尾对，电流源为两个发射极供电，每个集电极中的470R或1K {为运算放大器供电，并且它在锡上做的事情。

卑微的BC214或更新版本的不太外来的PNP晶体管也可能做得不错。

如果感兴趣的频谱不包括直流，则第二种选择是升压变压器，以使您的源阻抗与所选放大器的噪声阻抗匹配。

例如，如果您选择的NE5534A具有3.5nV / rtHz或700欧姆的噪声阻抗，而源阻抗为1欧姆，则您需要的阻抗变换比为1：700，或者电压变换比（匝数比）为1:26（sqrt（700）。

变压器的主要电阻当然是噪声源：应保持相对较少的匝数和较大直径的导线，以保持较低的电阻（从而降低噪声）。次级电阻也很重要，尽管其噪声会被添加到升压的次级电压之上。

噪声阻抗匹配使您可以从所选的任何放大器中获得最佳性能。

FET输入放大器不从同一噪声源遭受电阻器，这是他们如何仍然可以具有与输入电阻<100nVpp噪声TERA欧姆范围内。

Analog Devices使用输入功率小于100nVpp的带前置放大器的“ 32”位ADC，您可以取平均多个样本来尝试改善本底噪声（一个小时5sps应该给您带来几位额外的“无噪声”数据） ）。

对于一般运算放大器，AD8000运算放大器在0.1-10Hz之间只有〜20nVpp噪声，这是峰峰值噪声，而不是根Hz。

有一家英国公司制造貌似非超导皮伏表！他们可能有一些有用的东西。

否则，请查看是否可以借用某人的锁定放大器。但是，使用其中之一并不是为了冒充内心。

请记住，您在做什么并不重要，几乎总是有另一种方式，不一定是更好的方式，但是您通常可以选择。诀窍是找到它们。

对我而言，“ nV / sqrt Hz”噪声几乎淹没了您的信号，因为您对带宽一无所知。如果您的带宽非常低，那么可能没有问题。请注意，带宽不是最大频率。

请注意，所引用的nV / sqrt Hz噪声高于1 / f拐角频率，如果您的频率较低，则1 / f噪声也可能有很大的影响。斩波放大器的1 / f噪声要少得多，但经常会遭受较高的白噪声。

锁相放大器是许多实验室的标准套件，实际上由于同步解调而具有非常低的带宽。在某些情况下，通过调制和解调，您可以在放大器的白噪声区域（恒定nV / sqrt Hz）中工作，而不是在较低端工作。

如果信号高于几十Hz，并且源阻抗很低，则可以通过在输入端使用简单的升压变压器来获得升压。当然，绕组电阻会产生Johnson-Nyquist噪声。理想情况下，匝数比为1：n的变压器可将阻抗降低1 / sqrt（n），并将噪声降低1 / n。

通过并联n个低噪声放大器并相加输出，还可以构建任意低噪声放大器。输入阻抗以1 / n减小，不相关的噪声以1 / sqrt（n）减小，因此100个并联放大器将具有1/100的输入阻抗和（理想情况下）1/10的噪声。

如果您碰巧有一个液态氦低温恒温器和一些DC SQUID，那么您可以获得更低的噪声水平，但是即使是一根电缆也无法支付您的预算，更不用说设置了。

该电路在1KHz时具有60dB的增益，在50Hz以下时升至86dB。本底噪声<1nV / rtHz。

考虑一个固有的DC_blocking的NJFET前置放大器，因为该前置放大器是RIAA补偿的，并且转盘哇/颤动应该被拒绝。该电路来自diyAudio.com网站（论坛为“ Simplistic NJFET RIAA”），提供60dB增益，旨在将250微伏转换为0.25伏。250microVolts的SNR（MovingCoil弹药筒的输出）将令人印象深刻。这些电路的房屋建造者（已经建造了数十个）说：“即使绝对功率放大器的增益达到最大，音乐也绝对不会安静-不会发出嘶嘶声，嗡嗡声或嗡嗡声。”

考虑到完全缺少第一个增益级的PowerSupplyRejection（注意R1增益集和R10增益集绑定到45V电压轨，尽管第二个增益级和输出缓冲器使用C5和C6）（第二个NJFETS和Q3双极级联以消除米勒）效果），则需要使用适当的SHUNT调节器：

电路“ salas”的开发者也是diyAudio的主持人之一，如果您路过并询问将电路用于除MovingCoils以外的其他传感器，可能会感到很开心。2SK170的噪声密度远低于1nanoVolt / rtHz；有人并行使用2；有些人并联进行4次，也许在FET源中加了几欧姆，以鼓励更均等的电流共享，尽管该论坛的一大部分讨论了NJFET的测量和分类，以达到1％的匹配水平（1 / 10ma 10或15mA）。

实验人员写道，对于2欧姆至10欧姆范围内的MovingCoils感到满意；6欧姆MC传感器将为1nV / sqrt（10）或0.316nV / rtHz。使用这样的低噪声传感器需要大量的基础设施；这是一个这样的物理示例：

请注意，50Hz电源变压器（大多数制造商在欧洲）和整流器，第一个CLC滤波是一个REMOTE BOX，用米长的电缆将55伏的电压带到前台的LeftRight通道盒中，将分流调节器放在最左端/ right和实际的RIAA（请注意，巨大的黑膜电容器会降低介电压缩产生的音乐色彩）前置放大器。注意沉重的铝盒。底部也是并联稳压器的散热片。那可能是明矾还是钢铁？我不知道。

编辑您的目标是精确测量1纳伏。来自非常低的Zsource。您需要将一些导线从“传感器分流器”连接到前置放大器。这些电线是各种垃圾的候选路径。对于周围的仪表，每60Hz能量，120Hz能量的每一比特都将探索这些导线的有用导电性。那些黑砖，开关调节器，也需要返回路径。

检查转盘和墨盒的隔离情况。屏蔽时，使用第5根线（除了LeftRight通道传感器的4根线）。您需要最大程度地减少使用4 + 1导线以获得多余的能量。距离可能是您唯一的朋友。但是仍然有希望。这是“赛道”电源变压器的照片，这是在117VAC / 220VAC和整流后的原始DC之间（进入ShuntReg之前）实现最佳Efield隔离的一种珍贵方法：

请注意，初级线圈和次级线圈采用单独的线圈形式，从而最大程度地减少了电源线垃圾进入前置放大器的电容耦合，该垃圾随后需要返回建筑物外部接地的返回路径，而传感器的电线则是其中的一部分。探索的道路。

在高频下，使用变压器（空心线圈）解决该低压问题。作为放大器，使用三极管，它们具有低噪声。使用金属箔或绕线电阻，并尝试将其保持低温。

如果信号是交流电和窄带信号，那为什么不使用调谐变压器将电压提高到可以正常使用的合理水平呢？

变压器的DCR较低，因此热噪声也较低。如果屏蔽良好，将大有裨益。

这是一个使用1纳伏噪声密度的运算放大器设计的运算放大器，Avcl = 60dB和100dB；第一级是直流耦合的，以避免巨大的电容器（易受Efield干扰）；第二级在增益设置网络中被直流阻隔；为了娱乐，我在每个运算放大器中都包含了10毫伏的PowerSupply干扰。结果？SNR是-70dB。Vout为29毫伏；热噪声为1伏；电源噪声为93伏。[没有电源纹波，SNR为-31.5 dB]

这就是PowerSupply垃圾如此强大的原因：OpAmp PSRR仅80dB（默认值），而OpAmp VDD上的LsRsC对60/120纹波没有影响（电容需要大得多，而Rs串联在至少大10倍）。

现在添加Lockon Amplifer的好处：建模为25Hertz带通，Q = 100。（使用1nanoVoltPP输入时）SNR从-30dB提高到-5dB。注意，在右上角，我单击了“石像鬼”和“ PSI”。还要注意，在SNR / ENOB窗口下方，由于有高Q滤波器，我将FOI FrequencyOfInterest值精确设置为25Hz。而且我使用了低通滤波器LRC级，因此我可以使用工作表将LC谐振准确地置于25.00Hz。在Q = 100时，这是必需的。

这是噪声图，覆盖24至26Hz。请注意右侧列出的许多噪声源，但仅放大器噪声和Rg重要。Rg是接地的10.01欧姆，设置该缓冲增益跟随器的60dB增益。同样，第一个运算放大器的噪声为62_ohms或1.0nv / rtHz。