Mehrstufiger rauscharmer Verstärker

Ich versuche, einen Empfänger für elektrische Felder zu bauen, um VLF-Wellen zu erkennen, damit meine Bandbreite im Wesentlichen im Bereich von 1 kHz bis 100 kHz arbeitet. Ich werde eine kurze Peitschenantenne (1-2 m lang) als Antenne haben und versuche, das Design für den Vorverstärker herauszufinden.

Ich bin ein Anfänger in diesem Bereich, daher gehe ich möglicherweise falsch vor und wollte Feedback zu meinem Design erhalten. Ich habe noch keinen detaillierten Schaltplan, aber als grobes Konzept denke ich darüber nach, einen differentiellen JFET-Common-Drain (Source-Follower) als Eingangsstufe zu verwenden (die eine hohe Eingangsimpedanz und eine niedrige Ausgangsimpedanz haben wird). Diese Stufe hat ein sehr geringes Rauschen und eine geringe Verstärkung, da diese Stufe die Rauschzahl des gesamten Verstärkers am meisten beeinflusst.

Dann denke ich für die Verstärkungsstufe daran, ein differenzielles BJT-Basispaar zu verwenden, das gleichspannungsgekoppelt ist. Diese Stufe bringt den größten Gewinn und muss auch wieder rauscharm sein.

Für die Ausgangsstufe denke ich an die Verwendung eines Spannungsfolger-Operationsverstärkers mit einem Abwärtstransformator. (Ich bin mir bei dieser Phase nicht sicher. Vielleicht ist die Verwendung eines Emitterfolgers eine bessere Idee?)

Wenn ich dieses Design optimieren kann, würde es für meinen Fall in Bezug auf Verstärkung, Rauschen und Bandbreite ziemlich gut funktionieren? Wäre dies auch ein besseres Design als ein herkömmlicher Operationsverstärker / Instrumentenverstärker mit JFET-Eingang?

vlf.it/cr/differential_ant.htm beschreibt einen differentiellen Vorverstärker mit Dipolantenne. Habe auch einen einzelnen JFET-Common-Drain-Vorverstärker gesehen. Wir leben in einer 1/f-Umgebung, in der Rauschquellen bei diesen niedrigen Frequenzen dominieren.
Welche Eingangsimpedanz erwartest du? Feedback zu Ihrem Design - versuchen Sie, einen Schaltplan hinzuzufügen, keine Worte.

Antworten (2)

Das rauscharme Design beginnt mit der Beurteilung des erforderlichen Impedanzpegels. Der beste Verstärker für eine Quellenimpedanz von 1 k (OPA211, 1,1 nV) funktioniert aufgrund seines großen Rauschstroms nicht gut mit einer höheren Impedanz (2-m-Peitschenantenne bis zu 100 kHz). Für Ihre Anwendung benötigen Sie als Frontend einen FET-Eingangsverstärker.

Sie sollten anfangen, mit etwas so Einfachem wie TL071 zu experimentieren, das, obwohl das Rauschen 18 nV beträgt, im Wesentlichen kein Stromrauschen hat, also gut zu Ihrer Quelle passt. Wenn Sie sich ein wenig umsehen, werden Sie FET-Eingangsverstärker mit geringerer Rauschspannung einsacken, aber wenn Sie das Beste wollen, sollten Sie Ihre eigenen mit diskreten FETs brauen, indem Sie den allgemeinen Ideen von Bob Pease in diesem Artikel folgen und FETs anstelle von Bipolaren verwenden das vordere Ende.

Andererseits, nachdem Sie das Spektrum der atmosphärischen Hintergrundgeräusche in Kevins Beitrag konsultiert haben, brauchen Sie überhaupt mehr als 18 nV?

Sobald Ihre erste Stufe genügend Verstärkung hat, wird der Rauschbeitrag aller nachfolgenden Stufen irrelevant. Wenn Ihre erste Stufe wieder mehr als 3 hat und die erste und zweite Stufe das gleiche Rauschen haben, wird das Rauschen der ersten Stufe die zweite Stufe vollständig dominieren.

Nur ein Gedanke. Bei 100 kHz beträgt die Wellenlänge km, sodass eine Reihe von Antennen kein Phased Array ist, sondern nur eine Gruppe von Antennen für jede praktische Größe. Verwenden Sie 4 Antennen in einem Quad-Verstärker und fügen Sie die Ausgänge hinzu. Umgebungsrauschen wird korreliert, also als Spannung hinzugefügt, Verstärkerrauschen ist nicht korreliert, also wird es als Leistung hinzugefügt. Jedes Mal, wenn Sie die Anzahl der Empfänger verdoppeln, verbessern Sie das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) um 3 dB.

Ihre größte Rauschquelle bei niedrigen Frequenzen wird wahrscheinlich eher atmosphärisch und von Menschen verursacht als von Schaltungen erzeugt sein. Ihr grundlegendes Design klingt jedoch vernünftig

Atmosphärisches Rauschen (Wikipedia)

Ich versuche im Grunde, dieses atmosphärische Rauschen zu erkennen, aber ja, künstliches Rauschen wird wahrscheinlich mein Problem sein. Ich möchte den Verstärker trotzdem so geräuschlos wie möglich machen. Glauben Sie, dass dieses Design besser funktionieren würde als ein herkömmlicher Instrumentenverstärker mit JFET-Eingang, oder sollte ich dabei bleiben? Und wenn nicht, denken Sie, dass ich für die Ausgangsstufe einen Emitterfolger anstelle eines Spannungsfolgers + Transformators verwenden sollte? Danke.
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