Cómo evitar el ruido Johnson en el amplificador de alta impedancia de entrada

No tengo un circuito en el que estoy trabajando, esta es más una pregunta teórica: estoy tratando de remediar una falla en mi comprensión.

Imagine que quiero construir un amplificador de alta impedancia de entrada para trabajar en el rango bajo de mV, con unos pocos ruidos nV / √Hz. Quiero amplificar una señal diferencial de 1-100KHz. Inicialmente, comenzaría con un amplificador de instrumentación de buena calidad (por ejemplo, AD8421 ) y simplemente pondría condensadores en serie con ambas entradas.

Pero eso tiene un problema. No hay una ruta de CC a tierra en la entrada, por lo que probablemente se alejará lentamente y rastreará la salida. Entonces necesito agregar una resistencia a tierra en cada entrada. Vea el primer circuito en el diagrama a continuación. Esa resistencia establecerá la impedancia de entrada de mi amplificador, que quiero ser de aproximadamente 100MΩ. Pero si calculo el ruido Johnson que espero de dos resistencias de 100MΩ obtengo$\sqrt{2} \times \sqrt{4k_BTR}$ ≈ 1.7 μV / √Hz

Entonces llegué a la conclusión de que podía tener poco ruido o alta impedancia, pero no ambas. Luego encontré un preamplificador de entrada comercial que se especifica con un ruido de entrada de 3.6 nV / √Hz y una impedancia de entrada de 100MΩ. Eché un vistazo al interior y parece que usan el circuito de la derecha.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Los dos FET en el lado derecho son un par coincidente ( hoja de datos de google ) y forman la primera etapa del amplificador. Ya no realicé ingeniería inversa del circuito, pero puedo si es necesario.

Entonces mi pregunta es: ¿Qué hay de malo en mi comprensión? ¿Por qué el segundo circuito no tiene un ruido blanco de 1-2 μV / √Hz de las resistencias?

El problema en su razonamiento es que no muestra la ruta completa de la señal. Más específico el nivel de impedancia de la señal.

Tiene razón en que no puede tener tanto una alta impedancia como un bajo nivel de ruido. Si desea un bajo nivel de ruido, debe mantener baja la impedancia. Simple como eso.

En los dos circuitos que ha dibujado no está claro cuál es la impedancia de la fuente que utiliza para alimentar una señal a su amplificador. Suponiendo que los condensadores de acoplamiento de CA son grandes y que la impedancia de esta fuente es baja (por ejemplo: 50 ohmios), ¡entonces el ruido será bajo!

Por qué ? Debido a que el ruido generado por las resistencias de polarización de 100 Mohm DC será acortado por los condensadores de acoplamiento de CA y esa baja impedancia de fuente. Entonces, en esta situación, la impedancia efectiva de la señal (a cierta frecuencia) es mucho menor que 100 Mohm. Resultando en un bajo ruido.

Si la impedancia de la fuente de 50 ohmios no estuviera allí, esa corriente de ruido se multiplicaría por los 100 Mohm de la resistencia misma, lo que daría como resultado un alto nivel de ruido.

Puede hacer cálculos sobre esto más fácilmente considerando la corriente de ruido generada por las resistencias de 100 Mohm. ¡Esa corriente se multiplicará por la impedancia de la fuente de la señal (por ejemplo, 50 ohmios), dando como resultado un pequeño voltaje de ruido!

Entonces, el circuito de la derecha no es mejor que el circuito de la izquierda. Lea atentamente cómo midieron ese bajo ruido e intente averiguar cuál era el nivel de impedancia de la señal de entrada. Le garantizo que habrán utilizado una impedancia de fuente tal que el ruido de las resistencias de polarización de 100 Mohm DC puede ser descuidado (una impedancia de fuente muy baja, ¡incluso podrían haber acortado / conectado a tierra las entradas!). En ese circuito, el ruido de los FET debe ser dominante, ya que estos deben determinar el nivel de ruido más bajo posible (al menos en un amplificador diseñado adecuadamente).

Recuerde que está conectando este amplificador a una fuente de señal, por lo que esta impedancia de 200M está en paralelo con la impedancia de la fuente.

Mida el ruido del amplificador con el circuito abierto de entrada y verá su ruido predicho. (más una contribución de cualquier campo eléctrico en la entrada; es posible que necesite una evaluación para medir esto correctamente)

Mida el ruido del amplificador con la entrada en cortocircuito y verá el ruido inherente del amplificador.

Mida el ruido del amplificador con la impedancia de fuente real a la que estará conectado y verá el ruido inherente del amplificador. La relación entre esto y el ruido de la impedancia de la fuente es la "figura de ruido" del amplificador.

Con una resistencia de fuente de 10Megohm (pata a pata) verá el ruido Johnson de 2 resistencias en paralelo: 10Meg y 200 Meg, por lo que puede ver 0.5dB menos ruido que una resistencia de 10Meg solo (pero ha atenuado la señal de la misma manera) fracción también)

Con una fuente capacitiva, como una cápsula de micrófono de 30pf, la impedancia de la fuente es una red RC paralela, así que trate el ruido Johnson como el voltaje de ruido de 200M, atenuado por una impedancia de fuente de 200M en un condensador de 30pF. Será nominalmente plano hasta la frecuencia de -3dB, luego se reducirá en 6dB / octava.