¿Cómo mejora un preamplificador la relación señal-ruido (SNR)?

Hay dos cosas a considerar con un preamplificador que explica por qué mejora la SNR.

La primera, y más importante, es que el preamplificador esté más cerca de la fuente (como un micrófono). Hay menos componentes generadores de ruido entre el micrófono y el preamplificador que si esperara hasta el amplificador principal. Por ejemplo, muy a menudo hay mandos de agudos/graves entre el preamplificador y el amplificador para ajustar el tono del sonido. Estos dispositivos agregan ruido, pero debido a que ocurren después del preamplificador, agregan ruido a una señal de 1 V de una fuente de baja impedancia en lugar de agregar ruido a la pequeña señal que proviene del micrófono de alta impedancia.

La segunda ventaja es que es más fácil hacer una amplificación limpia con corrientes/voltajes bajos. Es mucho más fácil hacer la amplificación en dos pasos: un paso la eleva desde la diminuta señal del micrófono, y el otro toma esa señal y alimenta los parlantes. De hecho, es probable que si no tuviera un preamplificador antes de los controles de tono, probablemente tendría un amplificador de 2 etapas (que es un preamplificador y un amplificador principal juntos).

¿El ruido no se amplifica en la misma cantidad que la señal?

Desde una perspectiva diferente pero relacionada con la respuesta de Cort Ammon, en un diseño de etapas múltiples de bajo ruido, uno coloca la mayor parte de la ganancia general en la primera etapa, que podría llamarse preamplificador.

No es tanto que el preamplificador amplifique el ruido junto con la señal, es que cualquier ruido agregado por el preamplificador (todas las etapas de amplificación agregan ruido) es amplificado por las siguientes etapas de amplificación.

Entonces, por ejemplo, si su sistema de 2 etapas tiene una ganancia general de 1000, asumiendo el mismo ruido agregado en cada etapa, sería mejor desde una perspectiva de SNR tener una ganancia de 100 en la primera etapa y una ganancia de 10 en la segunda etapa y no al revés.

Como ejemplo de lectura adicional, considere Ponga la ganancia por adelantado

Lo más importante de un preamplificador es tener un bajo factor de ruido. Lo estoy abordando desde el punto de vista de las radios y las microondas. Sí, amplifica la señal y el ruido, cualquier cosa que entre. La entrada de la antena puede tener algo de ruido e interferencia atmosféricos, y eso se amplifica, pero la señal suele ser más grande en radios/microondas (si no se hace un prefiltrado o ruido). cancelación o cancelación de interferencias. Nada es gratis). Más importante aún, el ruido insertado por el preamplificador se suma al S+N amplificado. Aún así, el ruido exterior, en la banda, si diseñó su sistema correctamente, es muy pequeño, en su mayoría es solo el factor de ruido del preamplificador del que debe preocuparse. Las fórmulas para agregar factores de ruido y niveles de señal a lo largo de la cadena son fáciles y bien conocidas por los diseñadores de RF.

Un buen preamplificador de radio/microondas podría tener factores de ruido como unos pocos dB, es decir, dB por encima del ruido térmico de 290K, y uno se preocupa por los armónicos, los puntos de intercepción de tercer orden, etc., que generalmente se tienen que filtrar o mantener fuera de la banda por diseño. , o hacer que el parámetro sea lo suficientemente bueno dentro del rango dinámico deseado. El preamplificador es el factor más importante para establecer el rango dinámico. Los preamplificadores de teléfonos móviles tienen un factor de ruido inferior a 5 dB. Para radares de microondas es un poco más alto, y peor cuando vas a mmw. Los preamplificadores también son peores si son de banda demasiado ancha, por lo que siempre hay restricciones de diseño. Por supuesto, la miniaturización es importante para los teléfonos móviles, los productos electrónicos de consumo y las cargas útiles de los satélites. Menos para radares grandes, excepto que un radar complejo y sofisticado que debe usarse, por ejemplo, en un avión, también debe ser relativamente pequeño.

Eso también establece la mayor contribución del valor de ruido a toda la cadena de RF, y puede realizar otro procesamiento de RF en el resto de la cadena.

El PreAmp permite otro grado de libertad en el manejo de ruido aleatorio. Aquí hay un sistema de 3 etapas, entrada de 100uV. El gráfico de ruido muestra que cada etapa contribuye por igual al ruido de salida. ¿Por qué?

Etapa de ruido 1 = 50 ohmios

Etapa de ruido 2 = 5000 ohmios (ganancia 1^2 * Etapa de ruido 1)

Etapa de ruido 3 = 500 000 ohmios (ganancia 2^2 * Etapa de ruido 2)

En pocas palabras, incluso una ganancia moderada de la etapa 1 (preamplificador) facilita en gran medida el diseño de ruido aleatorio de etapas posteriores, por el CUADRADO de la ganancia de la etapa 1. Por lo tanto, la ganancia de preamplificador de 10:1 permite 100 veces más Rruido en la siguiente etapa, con la misma contribución.