Wie verbessert ein Vorverstärker das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR)?

Bei einem Vorverstärker sind zwei Dinge zu beachten, die erklären, warum er das SNR verbessert.

Der erste und wichtigste ist, dass sich der Vorverstärker näher an der Quelle (z. B. einem Mikrofon) befindet. Zwischen dem Mikrofon und dem Vorverstärker befinden sich weniger rauscherzeugende Komponenten, als wenn Sie bis zum Hauptverstärker warten würden. Zum Beispiel gibt es ziemlich oft Höhen-/Bass-Regler zwischen dem Vorverstärker und dem Verstärker, um den Ton des Sounds einzustellen. Diese Geräte fügen Rauschen hinzu, aber da sie nach dem Vorverstärker auftreten, fügen sie einem 1-V-Signal von einer niederohmigen Quelle Rauschen hinzu, anstatt dem winzigen Signal, das vom hochohmigen Mikrofon kommt, Rauschen hinzuzufügen.

Der zweite Vorteil ist, dass es einfacher ist, eine saubere Verstärkung bei niedrigen Strömen/Spannungen durchzuführen. Es ist viel einfacher, die Verstärkung in zwei Schritten durchzuführen: Ein Schritt hebt es von dem winzigen Signal vom Mikrofon an, und der andere nimmt dieses Signal und versorgt die Lautsprecher mit Strom. Tatsächlich ist es wahrscheinlich, dass Sie, wenn Sie vor Ihren Klangreglern keinen Vorverstärker hätten, wahrscheinlich einen zweistufigen Verstärker haben würden (der ein Vorverstärker und ein Hauptverstärker zusammen sind).

Wird das Rauschen nicht genauso verstärkt wie das Signal?

Aus einer anderen, aber verwandten Perspektive als Cort Ammons Antwort legt man in einem rauscharmen mehrstufigen Design den größten Teil der Gesamtverstärkung in die 1. Stufe, die als Vorverstärker bezeichnet werden könnte.

Es ist nicht so sehr, dass der Vorverstärker das Rauschen zusammen mit dem Signal verstärkt, sondern dass jedes vom Vorverstärker hinzugefügte Rauschen (alle Verstärkungsstufen fügen Rauschen hinzu) von allen nachfolgenden Verstärkungsstufen verstärkt wird.

Wenn Ihr 2-Stufen-System beispielsweise eine Gesamtverstärkung von 1000 hat, wäre es unter der Annahme von gleichem zusätzlichem Rauschen in jeder Stufe aus der SNR-Perspektive besser, eine Verstärkung von 100 in der ersten Stufe und eine Verstärkung von 10 Zoll zu haben die zweite Stufe statt umgekehrt.

Betrachten Sie als Beispiel für weiterführende Lektüre Put Gain Up Front

Das Wichtigste an einem Vorverstärker ist ein niedriger Rauschfaktor. Ich komme aus der Sicht von Radios und Mikrowellen darauf. Ja, es verstärkt Signal und Rauschen, alles, was hereinkommt. Der Eingang von der Antenne kann atmosphärisches Rauschen und Interferenzen aufweisen, und das wird verstärkt, aber das Signal ist bei Radios / Mikrowellen normalerweise größer (wenn Sie keine Vorfilterung oder Rauschen durchführen). (Nichts ist kostenlos). Noch wichtiger ist, dass das vom Vorverstärker eingefügte Rauschen zusätzlich zum verstärkten S+N eingeht. Dennoch ist das Außenrauschen im Band, wenn Sie Ihr System richtig entworfen haben, sehr gering, meistens ist es nur der Rauschfaktor des Vorverstärkers, um den Sie sich große Sorgen machen müssen. Die Formeln zum Hinzufügen von Rauschfaktoren und Signalpegeln entlang der Kette sind einfach und den HF-Designern bekannt.

Ein guter Radio-/Mikrowellen-Vorverstärker könnte Rauschfaktoren von einigen dB haben, was bedeutet, dass dB über 290 K thermisches Rauschen liegt, und man macht sich Sorgen um Oberschwingungen, Intercept-Punkte dritter Ordnung usw., die man normalerweise filtern oder vom Band fernhalten muss , oder der Parameter muss innerhalb des gewünschten Dynamikbereichs gut genug sein. Der Vorverstärker ist der größte Faktor bei der Einstellung des Dynamikbereichs. Handy-Vorverstärker haben einen Rauschfaktor von weniger als 5 dB. Für Mikrowellenradare ist es etwas höher und schlimmer, wenn Sie zu mmw gehen. Vorverstärker sind auch schlechter, wenn sie zu breitbandig sind, daher gibt es immer Designbeschränkungen. Natürlich ist die Miniaturisierung für Mobiltelefone und Unterhaltungselektronik sowie für Satellitennutzlasten wichtig. Dies gilt weniger für große Radargeräte, außer dass ein komplexes und ausgeklügeltes Radar, das beispielsweise in einem Flugzeug verwendet werden muss, auch relativ klein sein muss.

Dadurch wird auch der größte Beitrag des Rauschwerts zur gesamten HF-Kette gesetzt, und Sie können im Rest der Kette andere HF-Verarbeitungen vornehmen.

Der PreAmp ermöglicht einen weiteren Freiheitsgrad bei der Übertragung von Zufallsrauschen. Hier ist ein 3-Stufen-System, 100uV-Eingang. Das Rauschdiagramm zeigt, dass jede Stufe gleichermaßen zum Ausgangsrauschen beiträgt. Warum?

RRauschstufe 1 = 50 Ohm

RRauschstufe 2 = 5.000 Ohm (gain1^2 * RRauschstufe 1)

RRauschstufe 3 = 500.000 Ohm (Gain2^2 * RRauschstufe 2)

Einfach gesagt, selbst eine moderate Verstärkung von Stufe 1 (Vorverstärker) erleichtert das zufällige Rauschdesign späterer Stufen erheblich, und zwar um das QUADRAT der Stufe 1-Verstärkung. Somit ermöglicht eine Verstärkung des Vorverstärkers von 10:1 100-mal mehr Rnoise in der nächsten Stufe bei gleichem Beitrag.