Origen del aumento de ruido en el amplificador de carga BF862/OP27

Para la amplificación de señales de sensores piezoeléctricos, actualmente estoy construyendo un amplificador de carga con una interfaz JFET de bajo ruido utilizando un NXP BF862. El diseño del amplificador se basa en las notas de aplicación de Linear Technology/Analog Devices ( Design Note 254 y Design Note 308 ). Mis esquemas y diseño de PCB son los siguientes:

los esquemas El diseño de PCB

Mi problema es que el ruido medido es demasiado alto. Para una fuente de prueba capacitiva (solo un capacitor) de 264 pF, necesito un nivel mínimo de ruido de salida por debajo de 100 nV/rtHz para frecuencias entre 800 Hz y 900 Hz. De acuerdo con mi simulación LTspice, esto debería ser posible, el ruido de fondo general a 850 Hz es de 52 nV/rtHz:simulación LTspice

Sin embargo, después de producir la placa de circuito impreso varias veces con diferentes diseños y medir el ruido de fondo en la salida del amplificador, el resultado siempre fue el mismo: aprox. 250 nV/rHz a 850 Hz. Referido a la entrada que significa aprox. 9,5 nV/rtHz, que creo que es demasiado alto. Estoy haciendo estas mediciones en una jaula de Faraday con un analizador SR785 FFT cuyo ruido de entrada está muy por debajo de 10 nV/rtHz. Cambié el BF862 varias veces y también aumenté la resistencia de retroalimentación hasta 50 GOhm. Pero el ruido de fondo siempre se mantuvo exactamente igual. El amplificador funcionaba con dos baterías de plomo ácido. Entonces, el ruido simulado (52 nV/rtHz) es aproximadamente un factor de cinco menos.

¿Alguien tiene una idea de cuál podría ser el problema, es decir, de dónde viene el ruido? ¿Es posible que la simulación esté mal? ¿O podría ser que uno de mis componentes no se está comportando como se esperaba? Por ejemplo, pensé que tal vez la resistencia de retroalimentación (o las resistencias de fuente/drenaje) agrega algún tipo de ruido 1/f adicional. También verifiqué todos los puntos de funcionamiento de CC, pero son correctos, es decir, como en la simulación. ¿Qué intentarías a continuación?

¡Muchas gracias por su ayuda!

La primera pregunta es por qué demonios espera un ruido tan bajo de un JFET a una frecuencia tan baja y una corriente de drenaje tan baja. La hoja de datos del BF862 muestra 0,8 nV/rtHz a una frecuencia 3 órdenes de magnitud más alejada de la problemática región de ruido de 1/F. ¿Qué en las hojas de datos o notas de la aplicación justifica mayores expectativas?
Busque los FET "Process 58" aquí para obtener uno de menor ruido en las frecuencias de audio. Los datos deberían dar una idea de cómo varía su voltaje de ruido con la frecuencia y la corriente de drenaje. google.com/…
Así es, en la hoja de datos se dan 0,8 nV/rtHz para 100 kHz. Sin embargo, por ejemplo, en este sitio puede ver que el ruido de voltaje del BF862 es de 1,1 nV/rtHz a 1 kHz. Esto también concuerda con el ruido de la simulación LTspice.
Entonces, no creo que sea una cuestión de ruido de voltaje del transistor. ¿Es posible que la corriente de fuga de la puerta sea mayor en realidad y, por lo tanto, el ruido de corriente que se transforma en la salida a través de |Zf|?
No estoy seguro, pero su evidencia adicional se ve bastante bien para el BF826 (en Id = 1 mA, aumentar hasta 10 mA puede ayudar). Un área en la que su amplificador difiere de la tradición (y una de sus referencias) es que el FET suele ser un seguidor de fuente, lo que proporciona ganancia de potencia (pero no ganancia de voltaje). He usado esto en un micrófono de condensador. Mantiene las impedancias (y las impedancias de ruido) bajas antes del amplificador de voltaje. La otra referencia SÍ muestra un amplificador de fuente común, pero funciona en 200R, no en 10K. Eso me hace preguntarme si vale la pena explorar el seguidor de fuente tradicional.
También es posible: algún mecanismo de ruido alrededor de esa resistencia 5G. O contaminación en el PCB, etc. Puede valer la pena probar la limpieza o componentes alternativos.
Su meta de ruido de 100 nanovoltios/rthz indica un deseo de 1Kohm* 100/4 * 100/4 = 1kohm * 25 * 25 = 625,000 ohm Rruido. Muchos opamps pueden proporcionar ese piso de ruido. ¿Por qué no usar un amplificador operacional en una configuración no inversora?
@Brian También sospecho que la resistencia de retroalimentación de 5 GOhm (película gruesa) tiene mucho ruido actual. Encontré resistencias especiales de gigaohmios de bajo ruido de Silverlight que voy a probar...
@analogsystemsrf Necesito una configuración de amplificador de carga/transimpedancia en la que, desafortunadamente, el requisito sobre el ruido actual del opamp es mayor.
Como dijo @analogsystemsrf, por ejemplo, podrías probar este o este dependiendo del ancho de banda que necesites.

Respuestas (1)

En primer lugar, los JFET suelen tener un ruido de tensión de entrada de ~nV y un ruido de corriente de ~pA. En su caso, el ruido actual será dominante.

En segundo lugar, está ejecutando el BF862 en la región óhmica, lo que degenerará su rendimiento de ruido. BF862 fue diseñado para funcionar cerca de Idss.

Tercero, parece que el margen de estabilidad de tu circuito no fue suficiente. Lo que significa que tiene más ganancia de ruido de lo esperado.

Creo que un OPAMP de entrada MOSFET simple haría un mejor trabajo que el amplificador compuesto JFET/BJT OPAMP. Y recuerde hacer anillos de protección para proteger los rastros de entrada.

+1. Y también subrayo lo que dijiste al final de tu buena respuesta: como amplificador de carga, un OPAMP de entrada MOSFET con una corriente de polarización en el sub- pag A El rango funciona mejor que casi todos los amplificadores de entrada JFET, ya que en esta aplicación, lo que realmente importa es la corriente de ruido de entrada i norte que se transfiere directamente a la salida a través de una resistencia de retroalimentación (generalmente extremadamente) grande.
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