Low-PA TIA-Design und Noise Floor

Ich bin derzeit ein EE/Physik-Student und forsche an meiner örtlichen Universität im Bereich der Rastertunnelmikroskopie. Für zukünftige Experimente wäre es hilfreich, einen Vorverstärker mit höherer Verstärkung zu verwenden, als wir ihn derzeit haben, und da andere Gruppen sie gebaut haben, wollte ich das Gleiche tun.

Wir hoffen, Stromsignale von etwa 0,05 bis 10 pA von DC bis zu einigen kHz messen zu können (obwohl mehr Bandbreite mit einem geringen Grundrauschen sicherlich willkommen ist), was eine Transimpedanzverstärkung in der Größenordnung von 0,1 bis 1 Teraohm erfordert. Dies scheint sicherlich möglich, da es an der Universität von Florenz (Schaltung unten) sowie in einer Reihe anderer Arbeiten durchgeführt wurde . Einige andere Topologien werden hier vorgestellt .

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Ich konnte eine Rauschanalyse der Schaltung in LTspice durchführen, bin mir aber etwas unsicher, wie ich das Spektrum von uV/rtHz vs. Frequenz in einen Durchschnittswert für das Grundrauschen übersetzen soll, da es bei niedriger Frequenz zu explodieren scheint 1/f-Rauschen.

Darüber hinaus scheint der LTC6268 eine sehr niedrige Eingangsvorspannung und vernünftige Rauscheigenschaften zu haben, daher habe ich erwogen, ihn anstelle des oben genannten für die erste Stufe zu verwenden.

Es gibt ein Unternehmen, das rauscharme Verstärker mit hoher Verstärkung und niedriger Eingangsimpedanz namens EM Nanovolt Amplifiers herstellt. Aber sie sind teuer
Ich habe alle verwendet: ACF2101 (in mancher Hinsicht überraschende Leistung, mit sehr sorgfältig ausbalancierter Ladungsinjektionskonstruktion), IVC102 (meh) und DDC112 (ebenfalls sehr schön) für niedrige Ströme. Haben Sie eines davon untersucht oder in Betracht gezogen?

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Betrachtet man das niederfrequente Spannungsrauschen (0,1 bis 10 Hz) des AD549J und des LTC6268, würde ich sagen, dass der AD549 bei 4 uVp-p überlegen ist. Der LTC6268 hat ein Rauschen von 13 uVp-p. Dies ist also etwas, vor dem Sie vorsichtig sein sollten, wenn Sie eine Änderung in Betracht ziehen.

Für das Eingangsstromrauschen bei niedrigen Frequenzen scheint nichts angegeben zu sein, das viel unter 10 MHz für den LTC6268 liegt, und das wäre ein Problem. Der AD549 hat im Vergleich dazu 0,7 fA RMS von 0,1 bis 10 Hz.

Ich denke, der LTC6268 eignet sich besser für Hochgeschwindigkeits-Fotodiodenanwendungen und nicht für Niederfrequenzanwendungen wie die Ionenstrahlmessung.

TI scheint für keinen seiner Operationsverstärker Rauschwerte im Bereich von 0,1 bis 10 Hz anzugeben. Ich werde sie kontaktieren, um zu sehen, ob es etwas Vergleichbares gibt. Die Seite, die ich zuvor angesehen hatte, schien darauf hinzudeuten, dass der AD549 nicht mehr hergestellt wurde (alte Version vielleicht?), aber dies scheint auf der Website des Herstellers nicht der Fall zu sein, also ist es sicherlich immer noch eine Option.

1/f-Rauschen ist ein echtes Problem bei Niederfrequenzanwendungen, bei etwa 10 Hz steigt es bis etwa 0,01 Hz oder 0,001 Hz an und macht den Großteil des Rauschens in Verstärkern und Elektronik aus.

Das ist schwierig, weil es in Ihrer Interessensfrequenz liegt und nicht herausgefiltert werden kann.

Wenn 1/f-Rauschen ein Problem darstellt, verwenden Sie einen Zerhackerverstärker. Sie verfügen jedoch möglicherweise nicht über die von Ihnen benötigten Open-Loop-Verstärkungseigenschaften und Eingangsruhestromeigenschaften. Ich glaube nicht, dass einer der großen Hersteller eine Eingangsvorspannungsstromcharakteristik hat, die Ihren niedrigen Anforderungen entspricht.

Es gibt jedoch ein Unternehmen, das rauscharme Verstärker mit hoher Verstärkung und niedriger Eingangsimpedanz namens Nanovolt EM-Verstärker ohne 1/f-Rauschen und TΩ-Eingangsimpedanz herstellt. Aber sie sind teuer.

Low-PA TIA-Design und Noise Floor
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