如何避免高输入阻抗放大器中的约翰逊噪声

电器工程 噪音 仪表放大器 输入阻抗 噪声谱密度
2022-01-23 00:22:52

我没有正在研究的电路,这更像是一个理论问题——我正在努力弥补我理解中的一个缺陷。

想象一下,我想构建一个高输入阻抗放大器以在低 mV 范围内工作,并具有几个 nV/√Hz 噪声。我想放大一个 1-100KHz 的差分信号。最初,我会从一个高质量的仪表放大器(例如AD8421)开始,然后将电容器与两个输入端串联。

但这有一个问题。输入端没有接地的直流路径,因此它可能会慢慢漂移并轨道输出。所以我需要在每个输入上添加一个接地电阻。请参见下图中的第一个电路。该电阻器将设置我的放大器的输入阻抗,我希望它约为 100MΩ。但是,如果我计算两个 100MΩ 电阻器的约翰逊噪声,我得到\$\sqrt{2} \times \sqrt{4k_BTR}\$ ≈ 1.7 μV/√Hz

所以我得出结论,我可以有低噪声或高阻抗,但不能两者兼而有之。然后我找到了一个商用输入前置放大器,它的输入噪声为 3.6 nV/√Hz,输入阻抗为 100MΩ。我看了看里面,似乎他们使用了右边的电路。

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

右侧的两个 FET 是一对匹配的(来自 google 的数据表),构成放大器的第一级。我不再对电路进行逆向工程,但如有必要,我可以。

所以我的问题是:我的理解有什么问题?为什么第二个电路没有来自电阻器的大约 1-2μV/√Hz 白噪声?

2个回答

您推理的问题是您没有显示信号的完整路径。更具体地说是信号的阻抗水平。

你是对的,你不能同时拥有高阻抗和低噪声。如果你想要低噪声,你必须保持低阻抗。就那么简单。

在您绘制的两个电路中,不清楚用于将信号馈送到放大器的源的阻抗是多少。假设交流耦合电容器很大并且这个源阻抗很低(例如:50 欧姆),那么噪声就会很低!

为什么 ?因为 100 Mohm 直流偏置电阻器产生的噪声会被交流耦合电容和低源阻抗短路。所以在这种情况下,有效信号阻抗(在某个频率下)远低于 100 Mohm。从而产生了低噪音。

如果没有 50 欧姆的源阻抗,则噪声电流将乘以电阻器本身的 100 欧姆,从而导致高噪声水平。

通过考虑 100 Mohm 电阻器产生的噪声电流,您可以更轻松地对此进行计算。该电流将乘以信号源阻抗(例如,50 欧姆),从而产生一个小的噪声电压!

所以右边的电路并不比左边的电路好。仔细阅读他们如何测量低噪声并尝试找出输入信号的阻抗水平。我向您保证,他们将使用源阻抗,从而可以忽略 100 Mohm DC 偏置电阻器的噪声(源阻抗非常低,它们甚至可能将输入短路/接地!)。在该电路中,FET 的噪声应该占主导地位,因为它们应该确定可能的最低噪声水平(至少在适当设计的放大器中)。

请记住,您将此放大器连接到信号源,因此这个 200M 阻抗与源阻抗并联。

在输入开路的情况下测量放大器的噪声,您将看到预测的噪声。(加上输入处任何电场的贡献;您可能需要筛选才能正确测量)

在输入短路的情况下测量放大器的噪声,您将看到放大器自身的固有噪声。

使用将要连接的实际源阻抗测量放大器的噪声,您将看到放大器自身的固有噪声。这与源阻抗噪声的比值就是放大器的“噪声系数”。

使用 10Megohm 源电阻(腿到腿),您会看到来自 2 个并联电阻的 Johnson 噪声 - 10Meg 和 200Meg,因此您可能会看到比单独使用 10Meg 电阻器的噪声低 0.5dB(但您已经将信号衰减了相同分数也是)

对于电容性源 - 例如 30pf 麦克风胶囊,源阻抗为并联 RC 网络,因此将约翰逊噪声视为来自 200M 的噪声电压,通过 200M 源阻抗衰减到 30pF 电容器中。它会在名义上平坦到 -3dB 频率,然后降低 6dB/倍频程。