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Ultra-rauscharmer FET Vorverstärker LNPA60dB

( English Version: Ultra Low Noise FET Preamplifier LNPA60dB)

Geeignet für Audio und Messzwecke
Eingangsspannungsrauschen ca. 0,41 nV/√Hz

0,41 nV/√Hz sind so wenig, dass Quellen mit mehr als 10 Ω Impedanz stärker rauschen als dieser Vorverstärker!
Nur bei noch niederohmigeren Quellen ist dieser Vorverstärker der "Flaschenhals" beim Gesamtrauschen.

Inhalt

Vorwort

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

• Der Eingangsrauschspannung der Eingangsstufe des Verstärkers
• Dem Eingangsstromrauschen der Eingangsstufe des Verstärkers multipliziert mit der Ausgangsimpedanz der Signalquelle
• Dem thermischen Rauschen der Ausgangsimpedanz der Signalquelle, z. B eines Mikrofons, Tonabnehmers oder einfachen Widerstands

Damit dem vorverstärkten Signal durch Eingangsrauschen der folgenden Stufen der folgenden Signalverarbeitungskette oder durch andere Ursachen nicht nennenswert weiteres Rauschen hinzugefügt wird, muss der Vorverstärker ausreichend hoch verstärken. Dafür ist der LNPA60dB (Low Noise Pre-Amplifier with up to 60 dB Gain) konzipiert. Er ist für Audio-Anwendungen optimiert und kann aber auch AC-Signale bis in den MHz-Bereich verstärken. Er hat FET-Eingänge, um das durch Eingangsstromrauschen verursachte Rauschen an höheren Quellimpedanzen zu vermeiden.

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

• Entwicklung des LNPA60dB
• Der DC-fähige LNPA40dB
• Thermisches Widerstandsrauschen
• Strominduziertes Widerstandsrauschen

Technische Daten

• Eingangsspannungsrauschen @ +60 dB: 0,41 nV/√Hz (gemessen an mehreren Exemplaren)
• Eingangsspannungsrauschen @ +40 dB: 0,43 nV/√Hz
• Verstärkung: Umschaltbar 40 dB und 60 dB +/-0,05 dB (~ = +/-0,5%)
• Eingangsimpedanz: 1 MΩ || ca. 5  pF
• -3 dB-Grenzfrequenzen @ +60 dB, 1 V_SS: ~5 Hz bis ~1,4 MHz
• -3 dB-Grenzfrequenzen @ +40 dB, 1 V_SS: ~2 Hz bis ~4,5 MHz
• Anstiegsgeschwindigkeit: ca. 10 V/µs
• Ausgangsimpedanz: 100 Ω
• Eingangs- und Ausgangsbuchsen: BNC und Cinch, parallel geschaltet
• Betriebsspannung: 12V_DC, max. 15 V, gegen Verpolung geschützt
• Stromaufnahme: ca. 70/85 mA (@ 60/40 dB Gain)
• Anschluss: Hohlstecker, 5,5 / 2,1 mm, + innen, normal & verriegelbar
• Abmessungen: 105 x 26 x 58 mm (ohne Buchsen, Schalter und Füße)

Was bei dem Betrieb zu beachten ist:

Es gibt einige Aspekte, die für "normale" Vorverstärker nicht gelten, auf die ich hier hinweisen möchte.

• Eingangsschutz: Das extrem niedrige Rauschen lässt einen robusten Eingangsschutz praktisch nicht zu. Jeder wirksame Eingangsschutz braucht einen Vorwiderstand, der aber, um das Rauschen nicht zu verschlechtern, in diesem Fall deutlich kleiner als 10 Ω sein müsste und damit keine Schutzwirkung mehr hätte. Deshalb befindet sich hinter dem 1 µF AC-Koppelkondensator nur eine ESD-Schutzdiode. Sie begrenzt bei ca. 5 V_SS. Dies bedeutet: Höhere Spannungen verursachen höhere Ströme über den Koppelkondensator und die ESD-Diode, abhängig von Frequenz, Spannung und Impedanz der Quelle. Andererseits ist auch bei 40 dB Verstärkung eine sinnvolle Eingangsspannung nicht größer als 100 mV_SS. Das bedeutet auch, dass das plötzliche Anlegen oder Abschalten einer höheren Gleichspannung bei niedriger Impedanz am Eingang diesen ESD-Schutz überlasten könnte. Das lässt sich vermeiden, indem vor dem Anlegen der Gleichspannung der Eingang kurzzeitig auf Masse (GND) geschaltet wird.
• Quellimpedanz: Bei Quellen mit Impedanzen deutlich über 10 Ω kann der LNPA60dB sein Potential nicht ganz ausspielen, da dann das thermische Rauschen der Quelle größer ist als das des LNPA60dB. Gute Vorverstärker, insbesondere gute Mikrofonvorverstärker, haben eine Eingangsrauschspannung von etwa 1 nV/√Hz, so viel wie ein 60 Ω-Widerstand. Allerdings haben sie dann auch einen Eingangsrauschstrom, der bei höheren Quellimpedanzen mehr Rauschspannung erzeugt als das thermische Rauschen der Quelle. Der LNPA60dB dagegen hat wegen seiner FETs im Eingang praktisch keinen Rauschstrom. Mit ihm lässt sich also das reine thermische Rauschen auch hoher Widerstände messen.
• Übersteuerung: Der LNPA60dB hat kein normales Verhalten, wenn er übersteuert wird. Es gibt kein einfaches Clipping wie üblich, weil sich die internen Arbeitspunkte verschieben. Die Erholungszeit von einer starken Übersteuerung kann ein paar Sekunden dauern.
• Hohe Frequenzen: Bei hohen Frequenzen kann die volle Ausgangsspannung nicht erreicht werden, da dieser Verstärker, wie alle Verstärker, eine begrenzte Anstiegsgeschwindigkeit hat. Daher sollte er bei hohen Frequenzen mit kleineren Spannungen betrieben werden, z. B. Eingangsspannungen von 1 mV_SS bei 60 dB Verstärkung oder 10 mV_SS bei 40 dB Verstärkung. Dann ist der Betrieb bei hohen Frequenzen ohne Probleme möglich. Das Gleiche gilt für Messungen des Frequenzgangs oder der Sprungantwort.
• Stromversorgung: Prinzipiell ist der Betrieb mit einem einfachen Netzteil, z. B. einem Steckernetzteil, möglich. Insbesondere bei Schaltnetzteilen ist die Gefahr, dass die Schaltfrequenz im Ausgangssignal sichtbar ist, aber sehr hoch. Linear geregelte Netzteile sind besser geeignet. Aber auch dann kann sich durch kapazitive Kopplung durch die Transformatoren hindurch eine Art Schleife ergeben, über die bevorzugt höhere Störfrequenzen eingekoppelt werden können. Das lässt sich mit Batterie-Versorgungen viel besser vermeiden. Allerdings Achtung: Das Gleiche gilt für die Stromversorgung der Quelle, sofern diese eine Stromversorgung benötigt!

Messwerte

Weitere Messwerte wie Rauschspektren, Amplitudengänge und Sprungantworten habe ich im Artikel über die Entwicklung des LNPA60dB dokumentiert.