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Ultra-rauscharmer FET Vorverstärker

( English Version: Ultra Low Noise FET Preamplifier)

Geeignet für Audio und Messzwecke
Eingangsspannungsrauschen ca. 0,4 nV/√Hz

LNPA60dB Front View

Inhalt

  • Vorwort
  • Das Konzept des LNPA60dB
  • Weiterentwicklung
  • Messwerte
  • Rauschspektren
  • Amplitudengang, Sprungantwort
  • Ist noch weniger Rauschen möglich?
  • Vorwort

    Das Gesamt-Eingangsrauschen von (Vor-)Verstärkern setzt sich aus mehreren Komponenten zusammen:

    Damit innerhalb der folgenden Signalverarbeitungskette dem vorverstärkten Signal durch Eingangsrauschen der folgenden Stufen oder durch andere Ursachen nicht nennenswert weiteres Rauschen hinzugefügt wird, muss der Vorverstärker ausreichend hoch verstärken.

    Der LNPA60dB (Low-Noise Preamplifier with 60 dB Gain) ist für Audio-Anwendungen optimiert und kann nur AC-Signale verstärken. Er hat FET-Eingänge, um das durch Eingangsstromrauschen verursachte Rauschen an höheren Quellimpedanzen zu vermeiden.

    Einen besonders rauscharmen Vorverstärker mit parallel geschalteten FET-Operationsverstärkern, den LNPA40dB, hatte ich schon entwickelt. Wegen der Operationsverstärker ist der für DC-Signale verwendbar und wegen der moderaten Stromaufnahme auch für Batteriebetrieb. Die erreichten 2,2 nV/√Hz sind vergleichsweise gut, aber mit parallel geschalteten J-FETs lässt sich ein reiner AC-Vorverstärker noch einmal erheblich rauschärmer machen. Mit 6 rauscharmen JFETs im Eingang habe ich 0,4 nV/√Hz erreicht. Das entspricht ungefähr dem thermischen Rauschen eines 10 Ω-Widerstands.

    Es war nicht mein erster Versuch, mit diesem Prinzip einen solchen Vorverstärker zu entwickeln, aber es war der erste erfolgreiche Versuch.

    In diesem Zusammenhang möchte ich auf andere relevante Links meiner Webseite verweisen:

    Das Konzept des LNPA60dB

    Versuchsaufbau

    LNPA60dB InsideZunächst habe ich den Vorverstärker als einen Versuchsaufbau gestaltet. Fast alle Widerstände lassen sich wahlweise bedrahtet in der Bauform 0207 oder als SMD in der Bauform 0805 bestücken. Im Versuchsaufbau habe ich sie mit Buchsen versehen, in die die Widerstände zu Versuchszwecken gesteckt werden können. Vorgesehen sind auf dem Board bis zu 6 JFETs, von denen dort im Muster nur 2 bestückt sind, aber auf einem zusteckbaren Modul sind weitere 4 vorhanden, denn natürlich ist interessant, wie die Unterschiede bei unterschiedlicher Anzahl der JFETs ist.

    Nur hohe Verstärkungen sind sinnvoll

    Die Verstärkung ist umschaltbar zwischen 40 und 60 dB. Es ist technisch nicht sinnvoll und sogar schlecht möglich, kleinere Verstärkungen zu realisieren. Das hat folgenden Grund:

    Alle Widerstände im Eingang tragen mit ihrem thermischen (und ggf. auch strominduzierten) Rauschen zum Eingangsrauschen des Verstärkers bei. Nicht nur die Längswiderstände (Schutzwiderstände) im Eingang oder die Ausgangsimpedanz der Quelle. Auch die Ausgangsimpedanz der Gegenkopplung spielt eine Rolle: Um eine bestimmte Verstärkung einzustellen, wird ein Spannungsteiler gebraucht, der die Ausgangsspannung des Verstärkers in umgekehrtem Verhältnis zur Verstärkung teilt. Also z. B. bei 60 dB Verstärkung im Verhältnis 1000 : 1. Wenn man ein Eingangsrauschen erreichen will, das z. B. dem thermischen Rauschen eines 10 Ω-Widerstands entspricht, muss die Ausgangsimpedanz dieses Spannungsteilers weit unter 10 Ω liegen, denn sie soll ja einen möglichst geringen Einfluss auf das Gesamtrauschen haben.

    Im LNPA bestehen die Ausgangswiderstände des Spannungsteilers, über die der Source-Strom der 6 JFETs fließt, aus 4 parallel geschalteten 10 Ω-Widerständen. Die Ausgangsimpedanz des Spannungsteilers ist also 2,5 Ω. Für 60 dB Verstärkung muss der Längswiderstand das 999-fache, also ca. 2,5 kΩ betragen, für 40 dB noch ca. 250 Ω. Diese 250 Ω belasten den Ausgangstreiber des Vorverstärkers nicht unerheblich, aber tolerierbar. Würde man 20 dB Verstärkung einstellen wollen, wäre die Last für den Ausgangstreiber 25 Ω. Dafür müsste schon ein besonderer Aufwand getrieben werden.

    Schaltungskonzept

    Die JFETs arbeiten mit 0 V Bias-Spannung, so dass ihr Drain-Strom maximal ist, denn dabei erreichen sie minimales Rauschen von ca. 1 nV/√Hz. Um die Bandbreite hoch und die Miller-Kapazität klein zu halten, geht der Drain-Strom über eine Kaskodenschaltung mit NPN-Transistor auf einen Arbeitswiderstand. Der ist im Bild sichtbar und besteht aus 3 parallel geschalteten 330 Ω-Widerständen (der 4. Widerstand hat 3,3 kΩ und gehört nicht dazu). Diese Vorstufe hat eine relativ geringe Verstärkung von nur ca. 14 (= 12 dB), daher muss der nachfolgende Operationsverstärker auch sehr rauscharm sein. Ein AD797 mit ca. 1 nV/√Hz ergab noch einmal einen deutlichen Gewinn gegenüber dem ursprünglich geplanten OPA228 mit ca. 3 nV/√Hz. Allerdings ist dieser Operationsverstärker einer der teuersten mit kleiner Leistung, die ich kenne. Alternativ sollte ein LT1128 ungefähr zum gleichen Preis die gleichen Ergebnisse liefern.

    Weiterentwicklung

    LNPA60dB Rev.1 Test SetupNach dem ersten Aufbau (Rev.0) ist nun der zweite (Rev.1) fertig. Neue Erkenntnisse haben sich ergeben und die Schaltung wurde leicht erweitert und optimiert. Ab dieser Revision wird für den LNPA60dB auch ein anderes Gehäuse vorgesehen. Die eingefügten Änderungen werden in der der nächsten Leiterplatten-Revision (Rev.2) übernommen. Dann wird es auch weniger bedrahtete Widerstände geben. So ist er reif für eine erste kleine Serie.

    Messwerte

    Gemessen mit 6 JFETs bei 60 dB Verstärkung. Die Rauschdichte ließ sich auf zwei Wegen aus dem Ausgangssignal ermitteln: 1. Über meinen ADC AD24QS gewandelt und den daraus bestimmten Rauschspektren, und 2. Auch auf rein analogem Weg mit einem nachfolgenden 60 dB-Verstärker, einem Bewertungsfilter 20 Hz - 20 kHz und einem True-RMS-Voltmeter. Beide Ergebnisse waren praktisch identisch.

    2 JFETs parallel, OPA228 (der erste Versuch):

    6 JFETs parallel, AD797 (die bisher endgültige Version):

    Rauschspektren

    10 Rauschspektren zeige ich hier. Sie sind erstellt mit meinem AD24QS als ADC. Wie viele andere typische Delta-Sigma Audio-ADCs zeigt auch dieser wegen des sog. Noise-Shapings einen rapiden Anstieg des Eigenrauschens ab 50 kHz.

    LNPA60dB Rauschspektren

    - Grafik für vergrößerte Darstellung anklicken -

    Wichtig sind folgende Spektrallinien:

    Amplitudengang, Sprungantwort

    Zur Bestimmung der Amplitudengänge steht mir leider kein spezielles Gerät zur Verfügung. So habe ich mein Oszilloskop mit FFT und zwei Funktionsgeneratoren verwendet. Der eine Funktionsgenerator kann bis 50 MHz erzeugen, der zweite erzeugt für den ersten eine sehr langsame Frequenzmodulations-Rampe für einen Sweep von 0 bis 10 MHz. Ungefähr 3 Stunden dauert so ein Sweep, um mit dem Envelope-Display des Oszilloskops einigermaßen saubere Frequenzgänge wie diese zu bekommen.

    Leider ist die Skalierung nur der Y-Achse, aber nicht die der X-Achse, wie üblich logarithmisch. Die numerische Ausgabe der Messwerte geht wegen der Envelope-Darstellung ebenfalls nicht, sonst hätte ich es gerne doppelt-logarithmisch dargestellt.

    Außerdem ist der Bereich von 0 bis 10 MHz in 12 Skalenteile aufgeteilt. Das ist unpraktisch und ergibt 833 kHz pro Skalenteil.

    Zur Bestimmung der Sprungantwort liefert der Generator eine Rechtecksignal mit ca. 7 ns Anstiegszeit. Die Anstiegszeit am Ausgang des LN60PA ist durch die endliche Anstiegsrate (Slew Rate) des AD797 begrenzt. Daher muss prinzipiell, sowohl für die Bestimmung des Amplitudengangs, als auch für die der Sprungantort, die Ausgangsspannung relativ klein sein. Bei über 500 mV innerhalb 70 ns ist diese Grenze ungefähr erreicht.

    Ist noch weniger Rauschen möglich?

    Prinzipiell lässt sich durch weiteres Parallelschalten natürlich auch noch geringeres Eingangsrauschen erreichen. Allerdings nicht in diesem Versuchsaufbau. Dort könnten zwar noch beliebig viele JFETs hinzu gesteckt werden, aber ohne weitere Reduzierung der Gegenkopplungsimpedanz wäre das wenig effektiv. Kleinere Widerstandswerte in der Gegenkopplung würden wiederum eine größere Ausgangsleistung des Operationsverstärkers erfordern, aber der sollte nicht wesentlich höher belastet werden, als er es jetzt, zumindest bei 40 dB Verstärkung, schon ist.

    Es könnte allerdings auch funktionieren, z. B. 4 dieser Vorverstärker mit ihren Ein- und Ausgängen einfach parallel zu schalten, womit sich dann das Eingangsrauschen halbieren müsste. 0,2 nV/√Hz wäre doch wirklich ein außergewöhnlicher Wert.


    Letzte Aktualisierung: 27. Februar 2021 Fragen? Anregungen? Schreiben Sie mir eine E-Mail! Uwe Beis