Préamplificateur très faible bruit

Comment réaliser un préamplificateur très faible bruit ?

Et d'abord, qu'est-ce que le bruit ?

Le bruit en électronique, c'est une variation aléatoire du signal qui se traduit par un Pschhhhhhh audio.... caractéristique.

Le bruit limite le signal vers le bas (signal de faible amplitude), la saturation limite le signal vers le haut (signal de forte amplitude), la différence entre les deux s'appelle la dynamique, exprimée en dB (décibel)

Si on veut une grande dynamique, il faut repousser au maximum la saturation (en général, en électronique autour d'une dizaine de volts) et diminuer le bruit le plus possible.

Par exemple, un tourne disque a une dynamique de l'ordre de 60 dB, un CD, bien enregistré autour de 90 à 100 dB, avec un enregistrement 24 bits, 96 kHz...on doit atteindre 110 dB

Tout composant électronique émet un bruit.

Par exemple, une résistance R émet un bruit En= √(4 k T R B)

En : tension de bruit en Volt RMS

k constante de Boltzmann 1.38 10^-23

T température absolue en Kelvin

R valeur de la résistance en ohm.jpg

B bande passante mesurée en Hz

Exemple : une résistance de 50 ohm.jpg à 27 °C et une bande passante (audio) de 20 kHz produit un bruit de 125 nV soit -136 dBm soit 0.91 nV/√Hz

1 kΩ : 559 nV, -122dBm, 4.07 nV/√Hz

Nota : pour faire un préampli faible bruit, il faut des résistances très faibles...

Les composants électroniques produisent du bruit, par exemple, un amplificateur opérationnel produit une tension de bruit en nV/√(Hz) et un courant de bruit en pA/√Hz.

Pour concevoir un préampli très faible bruit, il faut connaître l'impédance de la source.

Les AOP (ampli op) existent avec des transistors d'entrée à injection NPN ou PNP comme le NE5532 : ils ont une faible tension de bruit mais un courant de bruit non négligeable : ils conviennent pour des sources de faibles impédances inférieure à 10 kohm.jpg.

Les AOP existent aussi avec des transistors d'entrée JFet comme le TL072 qui ont une tension de bruit plus élevée mais un courant de bruit négligeable qui conviennent pour des sources d'impédance élevée supérieure à 10 kohm.jpg.

A noter aussi qu'un bon transfo audio blindé peut être très efficace pour amplifier une source avec peu de bruit...(intéressant pour une source de quelques Ω d'impédance)

Avec des transistors à injection, il faut que la résistance de base équivalente Rbb soit la plus faible possible, autrement dit, une puce assez large et un transistor suffisamment puissant capable d'encaisser 1 ou plusieurs A... Ce que les constructeurs ne peuvent pas toujours faire dans les AOP faute de surface de silicium.


1ère solution :

Ici, nous proposons de modifier un AOP faible bruit standard pour le modifier et remplacer ses transistors d'entrée.

Comment est-ce possible ? on peut utiliser les entrées de balance de l'AOP.

Nous avons choisi l'AOP faible bruit NE5534A : qui est un amplificateur opérationnel faible bruit : 3.5 nV/√Hz ce qui est déjà bien

bruit01.jpg

Si on regarde son schéma interne de près : 

bruit02.jpg

On peut bloquer ses transistors d'entrée pour les remplacer au niveau des bornes 1 et 8 de balance.

Nous proposons le schéma suivant :

bruit03.jpg

Les entrées + et -  sont reliées aux -15 V : les transistors d'entrée de l'AOP sont bloqués.

Une Led sert de référence de tension et le transistor NPN quelconque (nous avons choisi un BC239C) sert de générateur de courant. (Son bruit est en mode commun et ne sera pas amplifié...)

Une paire différentielle est constituée avec deux transistors de puissance d'une Rbb minimum.

Les collecteurs sont reliés au Vcc via 2 résistances (à ajuster pour une chute de tension de 2.5 V : 1.8 kohm.jpg à vérifier)  et l'ensemble constitue un nouvel AOP très faible bruit.

Nous avons ensuite relié la sortie de l'AOP à l'entrée - via une résistance de 100 kohm.jpg et l'entrée - à la masse via une résistance de 100 ohm.jpg en série avec un gros chimique (220 µF)

Dans les préamplificateurs faible bruit, il faut utiliser des gros chimiques, sinon leur impédance croît dans les basses fréquences et on fabrique du bruit TBF : bruit rose)

La nouvelle entrée -  est reliée à la masse via une résistance de 10 kohm.jpg et un chimique de 220 µF relié à l'entrée (à la masse pour mesurer le bruit du préampli)

Nous avons donc un préamplificateur très faible bruit de gain 1000 soit 60 dB.

Évidemment, l'ensemble doit être à l'intérieur d'un coffret métallique blindé, entrée et sortie BNC, l'idéal serait de l'alimenter avec 2 piles de 9 V (pas de piles 9 V rechargeables LiPo qui ont un convertisseur "bruyant")

Il faut choisir le meilleur modèle de transistor : 

Nous proposons à tester : 

MAT01 (pas donné) (nous avons construit, il y a pas mal d'années un AOP hybride NE5534A et MAT01 pour réaliser un préamplificateur cellule Pick uP pour lequel il doit être difficile de faire beaucoup mieux, à part, peut-être, avec un micro transfo élévateur...)

BD139

BD140

Une fois le meilleur modèle trouvé, l'idéal est d'en tester pas mal et de choisir les 2 meilleurs...

On atteint ici pratiquement 0.5 nV/√Hz, il sera difficile de faire mieux.

Pour améliorer encore un peu le système : 

On peut réaliser plusieurs préamplis faible bruit et les mettre en // (avec des résistances de 100 ohm.jpg par exemple en sortie pour le mélange)

Si on réalise n préamplis en // on diminue le bruit de √n. Attention : on augmente le courant de bruit de √n.

On peut installer les 2 transistors d'entrée sur un module à effet Peltier:

Si on refroidit les transistors à - 50°C (ce qui paraît réalisable) (le constructeur de BD140 annonce -55 à +150 °C)

On passe de 300 °K à 220 °K environ , on va donc gagner √ (220/300) = 0.86 soit un peu plus de 0.4 nV/√Hz : a priori, le jeu n'en vaut pas la chandelle.

(On pourrait descendre encore plus bas avec 2 étages de Peltier : compliqué et hors specs constructeur)...



2ème solution :

Nous utilisons directement un ampli op très performant en bruit (et en distorsion) à un coût acceptable : le AD797
bruit04.jpg
Correctement utilisé, on atteint 0.8 nV/
Hz.
Si on en met 4 en parallèle, on divisera le bruit par 2 soir 0.4 nV/
Hz :  difficile de faire mieux !
Attention : en mettant 4 amplificateurs en parallèle, on divise la tension de bruit par 2 mais on multiplie le courant de bruit par 2 aussi...
Tout dépend, encore une fois, de l'impédance de source : si elle n'est pas si faible le bruit peut augmenter si on met plusieurs amplificateurs en parallèle...
Analog Devices fournit, dans son datasheet, un tableau intéressant (que nous avons un peu modifié) où il recommande différents modèles d'amplificateurs opérationnels faible bruit pour obtenir un bruit minimum en fonction de l'impédance de source :
  1. Inférieur à 500 Ω : 4 AD797 en //
  2. Entre 500 Ω et 1 kΩ : 1 AD797
  3. Entre 1 k et 10 kΩ : AD8765, OP27, OP184...
  4. Entre 10 kΩ et 100 kΩ : AD8677, OP1177...
  5. Au-delà de 100 kΩ : AD8610, OP97...
Comme d'habitude, les transistors à injection ont la meilleure tension de bruit : ils conviennent pour les sources d'impédance faible. Les JFET ont le meilleur courant de bruit : ils conviennent pour les source d'impédance élevée.

Pour obtenir le bruit le plus faible possible, il faut beaucoup amplifier : minimum 40 dB (bande passante : environ 1 MHz), si possible 60 dB (bande passante environ 100 kHz).
Il vaut mieux utiliser l'ampli op en non inverseur.
La résistance entre l'entrée -  et la masse doit être très faible (pour que son bruit propre soit négligeable) :  par exemple : 4.7
.
Nota: si la résistance faisait 50
, elle ferait autant de bruit que l'ampli op !
Ça tombe bien : ces amplificateurs opérationnels ont des amplis de sortie assez puissants.
Le condensateur en série avec la résistance de masse doit être très gros pour passer la bande passante mais surtout pour éviter que son impédance ne génère du bruit en 1/f.
Par exemple : 10 000
µF. (3 Hz de bande passante). Vu l'offset très faible du AD797 (25 µV) nous proposons de ne pas en mettre : offset de sortie :
Avec une résistance de 10 k
en entrée : 25 µVx1000=25 mV + 0.25 µA x 10 k = 2.5 mV : total > 30 mV : acceptable. On peut même supprimer le condensateur de sortie.
Le condensateur sur la tension d'entrée doit être assez gros pour les mêmes raisons : 100
µF .  On peut rajouter un petit condensateur céramique sur la résistance de contre réaction et un autre entre la sortie et la borne 8 (voir datasheet)
Il faut des alimentations propres très bien découplées (voir datasheet).
On pourra mettre une résistance de 1 k
en sortie de chaque ampli op pour le mélange.
Attention aux mouvements d'air dans le boîtier : ils engendrent des micro variations de température sur les composants.
Les soudures des composants se comportant comme des thermocouples peuvent alors générer un bruit basse fréquence.
On pourrait envisager un préampli avec un interrupteur qui commute les entrées et les sorties de 3 des 4 amplificateurs:
Position 1 :  1 seul ampli-op (le meilleur)
Position 2 :  les 4 en //
Selon la source on sélectionne l'un ou l'autre...
.
bruit05.jpg
Nous avons monté nos 4 amplificateurs (alimentés par des régulateurs de tension +/- 15 V) dans un tiroir Hameg vide monté dans une base Hameg HM8001 qui fournit des tensions symétriques +/- 21 V.
Nous avons installé une embase BNC d'entrée et une embase BNC de sortie.
.
bruit06.jpg
.
La même chose mais avec le millivoltmètre en position filtre 10 kHz : 40
µV de bruit RMS.
10 000 Hz de bande passante
et un gain de 1000
ce qui nous donne bien 40.10 E-6/
10000/1000 =0.4nV/Hz.
Evidemment, si on débranche le bouchon 0 Ω de la BNC d'entrée, ou si l'on supprime le filtre du Leader (image précédente), le bruit augmente fortement...

.
bruit07.jpg

.

Le bruit correspondant à l'oscilloscope (Oui, je sais, on peut enregistrer la trace sur une clef USB...)

bruit08.jpg

.

Il est aussi intéressant de passer le bruit à l'analyseur audio de spectre FFT et aussi d'écouter le bruit avec un bon casque pour déceler d'éventuelles ronfles, oscillations, sifflement : le bruit doit être parfaitement blanc et pur.


3ème solution :

Pour des sources avec des impédances élevées, nous proposons l'utilisation du double JFET LSK489 de Linear System. (pas très facile à trouver)
bruit09.jpg
Ce double Jfet a une tension de bruit très faible (pour un Jfet) : 1.8nV/
Hz.
Un courant de bruit négligeable.
Et une capacité d'entrée de 4pF.
En montant plusieurs de ces Jfet en // et en fabricant un ampli op compound à partir d'un LM4562 (comme dans la 1ère solution), Il doit être difficile de faire mieux en bruit pour les hautes impédances (sauf cryogénie).
En montant 4 des ces transistors double en //, on pourrait réaliser un amplificateur haute impédance de 0.9 nV/
Hz...
On peut aussi le monter en cascode pour limiter la capacité d'entrée.
Voir :
https://www.cordellaudio.com/JFETs/LSK489appnote.pdf
A tester...

bruit10.jpg

Résultats des mesures (Millivoltmètre Leader LMV-181A) :

Short-circuit
Short-circuit
Open
Open

10 kHz Full Band
10 kHz Full Band
NE5534 (1) 0.355 mV
1.06 mV
1.6mV
4.02 mV
NE5534 (2) 0.36 mV
1 mV
1.6 mV
4 mV
TL071 1.06 mV
1.3 mV
1.26 mV
1.5 mV
AD797
?
?
?
?
1mV -> 10nV/Hz

Conclusion des mesures :
tout ça est assez logique :

  1. Les deux NE5534A donnent des résultats quasi identiques
  2. Le TL071 (qui utilise des transistors FET en entrée) est nettement moins bon pour les basses impédances mais son courant de bruit étant négligeable, son bruit n'augmente guère quand l'impédance de source augmente et  il devient nettement meilleur que les NE5534A pour des impédances élevées
 Tableau du bruit de quelques composants électroniques :
Ref Type Fabricant Prix En In En eq/0ohms En eq/10ohms En eq/100ohms En eq/1kohms En eq/10k0ohms En eq/100k0ohms



nV/VHz fA/Hz nV/Hz nV/Hz nV/Hz nV/Hz nV/Hz nV/Hz
2SK170 FETN Toshiba 0.44 0.8 0 0.8 0.80 0.80 0.80 0.80 0.80
2SK3557 FETN ON 1.20 0.8 0 0.8 0.80 0.80 0.80 0.80 0.80
AD797 AOP NPN Analog Devices 1.20 0.9 2000 0.9 0.92 1.10 2.90 20.90 200.90
BC337 NPN ON 0.00 0.7
0.7 0.70 0.70 0.70 0.70 0.70
BD139 NPN ST 0.00

0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
BF459 NPN NXP
0.54 0 0.54 0.54 0.54 0.54 0.54 0.54
BF862 FETN NXP 0.20 0.8 0 0.8 0.80 0.80 0.80 0.80 0.80
IF9030 FETN Philips 23.00 0.7 0 0.7 0.70 0.70 0.70 0.70 0.70
IF3601 FETN Philips 23.00 0.5 0 0.5 0.50 0.50 0.50 0.50 0.50
LSK389 2 FETN Linear Systems 40.00 0.9 0 0.9 0.90 0.90 0.90 0.90 0.90
LSK489 2 FETN Linear Systems 1.8 0 1.8 1.80 1.80 1.80 1.80 1.80
LT1115 AOP NPN Analog Devices 1.00 0.9 1200 0.9 0.91 1.02 2.10 12.90 120.90
MAT01 2NPN Analog Devices 30.00 6
6 6.00 6.00 6.00 6.00 6.00
MAT12 2NPN Analog Devices 1
1 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00
MJE13007 NPN On
0.38
0.38 0.38 0.38 0.38 0.38 0.38
MJE15030? FETN

0.63 0 0.63 0.63 0.63 0.63 0.63 0.63
NE5534A AOP NPN Philips 0.00 3.5 400 3.5 3.50 3.54 3.90 7.50 43.50
OP27 AOP NPN Analog Devices 1.20 3 400 3 3.00 3.04 3.40 7.00 43.00
OPA211 AOP NPN TI 0.60 1.1 1700 1.1 1.12 1.27 2.80 18.10 171.10
OPA827 AOP FET TI 7.00 4 2.2 4 4.00 4.00 4.00 4.02 4.22
THAT300 4 NPN THAT
0.8
0.8 0.80 0.80 0.80 0.80 0.80
TL071 AOP FET TI 0.00 15 0 15 15.00 15.00 15.00 15.00 15.00

4ème solution :

Pour un amplificateur très faible bruit "universel"  (qui convient aussi aux sources d'impédances "élevées").
Nous utilisons le transistor Fet N BF862 (sinon, à la rigueur le 2SK170). Qui est économique et a un bruit très faible (une transconductance élevée).
Pour atteindre son bruit nominal : autour de 0.8nV/
Hz, il faut au moins 2 mA de courant par transistor.
Pour réduire encore le bruit, et vue l'amplitude du signal à l'entrée (saturation de l'amplitude autour de 10 mV RMS). Nous n'utilisons pas de paire différentielle (on gagne ainsi
2).
Et pour diminuer encore le bruit on en installe plusieurs en // (nous avons prévu 10) ce qui permet de gagner
10 soit un peu plus de 3.
Le courant de bruit du Fet est négligeable.
Par contre mettre beaucoup de Fets en  // peut augmenter beaucoup la capacité d'entrée par effet Miller (la capacité entre Drain et Grille est multipliée par le gain).
Mais l'entrée - de l'AOP est fixe (en mode linéaire) donc il n'y a pas d'effet Miller sur les Fets : la capacité d'entrée du préamplificateur est donc "seulement" celle du Fet (celle du BF862) est faible (12pF) multipliée par 10 : 120pF ce qui est acceptable.
Enfin, étant donné qu'il n'y a pas de paire différentielle en entrée pour compenser les offsets, nous avons prévu un second amplificateur opérationnel quelconque mais avec une impédance d'entrée élevée qui intègre la tension de sortie et polarise les Fets pour maintenir la tension de sortie du préamplificateur autour de 0.

Voici le schéma prévu (représenté avec 10 Fets) à tester :

bruit11.jpg
.
Nota: dans ce genre de schéma la grande question est : comment le courant se répartit dans les Fets (Les Fets ont pas mal de dispersion) ?
Ici, nous les soudons en // mais nous profitons des résistances de source (qui permettent la contre-réaction de l'ampli op) pour les équilibrer un peu (et permettre aussi la mesure pour vérifier les dispersions).
Ce qui oblige à démultiplier la résistance de CR.
Le bruit du BF862 diminue quand son courant augment jusqu'à 2 mA, après le bruit ne change plus.
Ici, pour 10 transistors, nous injectons environ 25 mA pour être sur que, malgré les dispersions, on atteint le bruit minimum.
Il faut éviter d'augmenter trop le courant et limiter la tension drain-source sinon, le transistor chauffe et le bruit augmente avec la température...
Une autre solution consiste à insérer une résistance de 220 (par exemple) dans chaque source et un très gros condensateur de découplage pour chaque Fet.
Une autre solution consisterait à acheter un grand nombre de BF862 (qui n'est pas cher : autour de 0€40 par 10) et de les trier...

On peut aussi se demander si l'utilisation d'AOP très faible bruit est indispensable : on peut peut être utiliser un bête TL072 pour les 2 ampli op. A tester (les AOP sont sur support). Ce qui en ferait alors un préamplificateur très bas bruit à très bas coût...

Liens :

  1. Low Noise Preamplifier Suitable for High Impedance Sources
  2. Extreme Low Noise Preamplifier
  3. Low-Noise Programmable Voltage Source
  4. The sound of silence
  5. Modern JFETS in audio circuits
  6. Ultra Low Noise Preamplifier Design for Magnetic Particle
  7. Design of ultra low noise amplifiers
  8. Ultra low noise high bandwidth transimpedance amplifiers
  9. Low Noise Preamplifier
  10. A Low-Noise, Large-Dynamic-Range-Enhanced Amplifier Based on JFET Buffering Input
  11. Measurements Rate SMT Low-Voltage n-JFETs Under Consistent Conditions
  12. AN ULTRA LOW NOISE AC BEAM TRANSFORMER FOR DECELERATION AND DIAGNOSTICS OF LOW INTENSITY BEAMS.
  13. Single JFET Front-End Amplifier for Low Frequency Noise ...
  14. An Ultra Low Noise Measurement Amplifier
  15. Low Noise Designs
  16. FET INPUT VOLTAGE AMPLIFIER FOR LOW FREQUENCY NOISE MEASUREMENTS
  17. A new approach to the front-end readout of cryogenic ionization detectors

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28/05/2020