奇怪的低噪声放大器

接线图 2024年03月08日 11:12 82 admin

Curiously Low Noise 放大器利用 2SK117 JFET 出色的噪声特性，其噪声电压低于 1 nV/root-Hz，几乎没有噪声电流。放大器的噪声电压在 1 kHz 时仅为 1.4 nV/root-Hz，在 10 Hz 时增加到仅为 2.7 nV/root-Hz。噪声电流很难测量，所以这个简单的实用放大器也可以看到来自 50 欧姆电阻和 100k 电阻的噪声。（使用 50 欧姆电阻而不是短路时，1.4 nV 输入参考噪声将增加到大约 1.7 nV，而 100k 电阻将提供接近 40 nV 的输入参考噪声，放大器的贡献很小。）
该放大器是增益为 100 的“实用”放大器，通常用于实验室设置以增强微小信号以进行测量或进一步处理。它无意直接驱动扬声器或耳机。（它可以很好地驱动 LM386。）该电路是一个简单的分立晶体管反馈电路，具有两个增益级和一个独特的 A 类输出缓冲器：

奇怪的低噪声放大器第1张

    2sk117 来自“BL”Idss 电流范围，选择用于接近 7 mA 的 Idss。调整漏极电阻以在漏极上实现约 4 伏，该值取决于 JFET 的 Idss。
    大多数电阻器并不重要，但显示了精确值，因为电阻器应该是金属膜类型以获得最佳噪声性能。显示了近似的直流电压以帮助选择电阻器。偏离显示的电压会降低可用的输出电压摆幅，但对于较小的信号，放大器可能会正常工作。在观察到失真之前，空载摆幅应约为 6 伏特峰峰值，输入约为 60 毫伏峰峰值。
    MPSA18 用作噪声滤波器。此处需要高增益以保持基本滤波电容器的值合理，但可以通过将 10k 和 120k 降低 5 倍来代替 2N4401。滤波器仍将滚降来自上述 15 伏电源的噪声电压约 0.2 赫兹。但是有些电源可能真的很吵！
    0.1 uF 电容器用作旁路电容器，但主要用作固定元件的端子。这些是照片中看到的白色矩形。
    由于简单电路的开环增益有限，选择的反馈电阻器的增益恰好为 100，并且该值远高于预期的 1k。
    一个小电阻器与输出串联以确保稳定性，并且该电阻器可以在驱动较低电阻负载时稍微降低增益。设计人员可以选择为特定负载（例如 75 欧姆）或高阻抗负载设置增益。该电路可以驱动低于 100 欧姆的电阻，但摆幅会有所限制。可以省略 33 欧姆电阻而不会出现稳定性问题。（通常，此类实用放大器会驱动更高的电阻负载，通常为 600 欧姆或更高。）注意：为了让您了解如何使用输出电阻，我只是将我的装置的串联输出电阻更改为 55 欧姆，并在驱动 75 欧姆负载时将增益调整为 35 dB。空载增益在 40 dB 时正好高出 5 dB。这样，无论是驱动 75 欧姆乐器还是高阻抗设备，我都能获得偶数增益。输出缓冲器可以毫无问题地驱动总 125 欧姆负载，摆幅限制约为 3.5 伏，pp。
    输出级是一种不寻常的自偏置布置，其中 PNP 将栅源电压保持在接近 0.6 伏，使 JFET 在略低于其 IDss 的情况下运行。选择 2N5486 是为了不浪费太多电流，但如果需要，更高的 Idss JFET 将提供更大的驱动能力。
    输入阻抗：47 兆欧（由偏置电阻设置），由 20 pF 分流
    输出阻抗：36 欧姆，由串联电阻加上来自电路的约 3 欧姆设置。上面提到的我的 55 欧姆电阻器提供了大约 58 欧姆的输出 Z 和从空载到 75 欧姆的正好 5 dB 的增益损失。
    输出电压摆幅：6 伏峰峰值至高阻抗负载。
    增益：100 (40 dB) 由反馈电阻设置。可以为更宽的带宽选择更低的增益。
    频率响应：从低于 1 Hz 到高于 2 MHz 平坦。
    输入噪声：1.4 nV，在 10 Hz 时上升至 2.7 nV。到目前为止，噪声电流无法测量，但它确实很低。通过在输入端连接一个 97.3 k 电阻（100k 与 3.6 meg 并联），噪声电压测量值在 40 nV dB 的微小部分以内，因此几乎看不到噪声电流。事实上，这个放大器和一个选定的电阻器构成了一个固有的精确噪声源。在输入端连接一个 152k（在屏蔽盒中），您将在整个音频频谱（50 nV 乘以 100）中获得精确的 5 uV/root-Hz 噪声源。40 Hz 的快速测量在没有连接的情况下给出 770 nV/root-Hz；预计 47 兆欧将贡献 867 nV。这非常接近，但来自 FET 的噪声电流仍然很小。
    为了获得更好的性能，双极级可以用低噪声运算放大器代替。输入噪声会下降一点点，可能下降到 1 nV，输入电容也会下降一点，可能低于 10 pf。补偿运算放大器可能有点挑战。
    这是另一个具有一些有趣功能的版本。有一个双晶体管“强力”噪声分流器，可以非常有效地清理电源，并且它可以与低至 1 欧姆的串联电阻一起很好地工作。但如果有大量噪声需要分流，则所需的直流电流会增加。与“精细”电路一样，它只适用于消除随机噪声，比如来自三端稳压器的噪声，并且会因大杂散或嗡嗡声而过载。以下是它对与电源串联插入的测试源（红色）的作用：
    使用高增益晶体管以获得最佳效果。普通晶体管会提供大约 30 dB 的抑制，但可能需要修改偏置电阻值以将电流增加到大约 30 mA，具体取决于需要分流的噪声量。该电路具有出色的本底噪声，因此从良好的电源开始，噪声将在个位数纳伏。（Spice 认为小于 1！）
    对于需要最小负载的特殊应用，放大器包括反馈以将输入电容自举至较低值（约 4 pF）。该技术与源反馈相结合通常会导致某些源阻抗出现可怕的振铃，但该放大器在最差值（约 30k）时只有 1dB 的峰值。运行 LTSpice 仿真以查看各种输入 R 值的响应曲线（根据需要更改列表）。右键单击 .step 参数命令将其注释掉并将 {R} 更改为固定值，例如 1 欧姆，以便在单个源阻抗下测试放大器。噪声刚好低于 1 nV/根赫兹。该放大器工作到 BCB 的底部，源阻抗高达 30k。目前这只是一个 spice 实现——敬请期待。
    注意：我将 220 欧姆电阻的顶部直接连接到电源以减少 4.7 欧姆电阻上的压降。如果额外的压降不是问题，则电路在 220 欧姆的顶部连接到 4.7 欧姆电阻器的右侧时会稍微好一些。
    当我说“如果使用此电路，电源可能会很糟糕”时，我指的是随机噪声，比如来自 LM7815 三端稳压器（数百 nV/root-Hz）。这种噪声分流器无法处理不受管制的来源或许多巨大的电源尖峰。无论存在什么噪声都会在小电阻器中产生电流（假设电路正在工作）并且电路需要能够分流该电流。在 30 mA 偏置下，电路可以处理大约 +- 25 mA 信号，因此上述带有 4.7 ohm 电阻器的电路可以处理略低于 250 mV pp 的信号。将电阻器降至 1 ohm，限制更接近 50 mV pp，完全在预期范围内对于三端稳压器，但不能消除太多纹波或大瞬变。