Detta är grundläggande elektronik (tror jag) och är något jag "borde" kunna.
Min fråga gäller thermal noise, vitt brus eller vad det nu heter.
Ett perfekt motstånd på 10k har vitt brus på 1,8uV. (Värdet i sig är inte viktigt.)
Om jag har ett motstånd på 10k i serie på ingången till en inverterad förstärkare så är 1,8uV (teoretiskt) den lägsta signalnivån.
Men vad händer om jag har motståndet i parallell på ingången? Har jag fortfarande 1,8uV brus?
Motstånd och brus
Men å andra sidan så har den shuntande motståndet och dess egenbrus också högre 'drivförmåga' iom. sin lägre resistans och kan i en spänningsdelarkopplinng bli dominerande brusskällan till ingången - speciellt om den agerar 'öppen' när den är ansluten till högimpediv källa och källan måste trycka på motsvarande 3-6 dB mer amplitud för att 'överrösta' bruset som den låga impedansen ger utöver vad själva spänningsdelningen ger (kan göra en tankegroda här...).
Skall man ha lägsta möjliga brusbidrag från resp. sida så måste kopplingen mellan sändare och mottagare vara impedansampassat - samma impedans (och även sladden därimellan vid lite längre sträckor) så fort någon sidan aviker så blir endera dominerande när det gäller att levera bruseffekt gentemot nyttosignalen.
Man skall komma ihåg att informationsöverföring i slutändan ses som levererad effekt - inte som ström eller spänning - det är också därfö dB alltid räkna som just effektkvoter.
Om jag mins rätt så är den flödande bruseffekten i båda riktningarna samtidigt just -174 dBm/Hz vid 290 K temperatur oavsett värdet på impedanserna, så länge dom är lika på sändar och mottagarsidan. Av detta så bör man kunna räkna ut aktuell Volttal och dess 'öppna' spänning (vilket är det dubbla volttalet gentemot det matchade inkopplingen) för var given impedansvärde.
(trött i ögat så jag kan tänka tokigt nu...)
Skall man ha lägsta möjliga brusbidrag från resp. sida så måste kopplingen mellan sändare och mottagare vara impedansampassat - samma impedans (och även sladden därimellan vid lite längre sträckor) så fort någon sidan aviker så blir endera dominerande när det gäller att levera bruseffekt gentemot nyttosignalen.
Man skall komma ihåg att informationsöverföring i slutändan ses som levererad effekt - inte som ström eller spänning - det är också därfö dB alltid räkna som just effektkvoter.
Om jag mins rätt så är den flödande bruseffekten i båda riktningarna samtidigt just -174 dBm/Hz vid 290 K temperatur oavsett värdet på impedanserna, så länge dom är lika på sändar och mottagarsidan. Av detta så bör man kunna räkna ut aktuell Volttal och dess 'öppna' spänning (vilket är det dubbla volttalet gentemot det matchade inkopplingen) för var given impedansvärde.
(trött i ögat så jag kan tänka tokigt nu...)
Tack. Det låter bra.
Detta blev relevant för mig då jag håller på att leka med ett RIAA-steg. En MC-pickup med utgång på 300uVMRS och intern resistens på 2ohm bör ha ett dynamiskt omfång på ca 80db, om vi utgår från 2ohm som nivån för vitt brus.
Så tanken är ett RIAA-steg med brus på motsvarande ca 20nVRMS på ingången. Där är andra problem, en del som nämnts: kabel, kapacitans och mekaniska störkällor. Men det spelar ingen roll om det är meningslöst eller lönlöst. Jag kan inte mäta dessa nivåer ändå. Så jag vet aldrig om jag uppnår det. Men det är skoj att försöka, även om det bara är teoretiskt. Dessutom så behöver jag ett skäl för att använda operativförstärkare. Om jag "bara" ska ha ett RIAA-steg så har jag redan ett med trioder. Trioder är roliga i sig. Det är inte operativförstärkare.
Detta blev relevant för mig då jag håller på att leka med ett RIAA-steg. En MC-pickup med utgång på 300uVMRS och intern resistens på 2ohm bör ha ett dynamiskt omfång på ca 80db, om vi utgår från 2ohm som nivån för vitt brus.
Så tanken är ett RIAA-steg med brus på motsvarande ca 20nVRMS på ingången. Där är andra problem, en del som nämnts: kabel, kapacitans och mekaniska störkällor. Men det spelar ingen roll om det är meningslöst eller lönlöst. Jag kan inte mäta dessa nivåer ändå. Så jag vet aldrig om jag uppnår det. Men det är skoj att försöka, även om det bara är teoretiskt. Dessutom så behöver jag ett skäl för att använda operativförstärkare. Om jag "bara" ska ha ett RIAA-steg så har jag redan ett med trioder. Trioder är roliga i sig. Det är inte operativförstärkare.
Vet inte exakt vilken bandbredd man räknar med för ett 'RIAA-steg', men dina siffror pekat på kanske ca 0.3 nV/sqrt(Hz) vid 2 Ohm. Det finns mig veterligen inga okylda halvledarkomponenter som klarar detta direkt. Så det krävs antingen en transformator som tar upp impedansen till lämplig nivå, ca 1 kOhm, eller får man lägga ett antal lågbrustranistorer parallellt.
Den bästa OPamp jag känner till vad gäller brus är LT1028 som är specad till 0,9nV/sqrt(Hz) om jag minns rätt, så tio sådana parallellt skulle kanske gå. Den matchar ca 300 Ohm. Den kostar emellertid multum, så glöm det!
Men att lägga 10-50 lågbrusiga transistorer parallellt är en tänkbar variant, om än jobbig.
Den bästa OPamp jag känner till vad gäller brus är LT1028 som är specad till 0,9nV/sqrt(Hz) om jag minns rätt, så tio sådana parallellt skulle kanske gå. Den matchar ca 300 Ohm. Den kostar emellertid multum, så glöm det!
Men att lägga 10-50 lågbrusiga transistorer parallellt är en tänkbar variant, om än jobbig.
Dock är det roligt att fundera på sådana saker då det ofta visar på om man jagar myggor eller elefanter i sitt tänkande - och här sätter det verkligen fingrer på att det är RIIA-tegets ingång som kräver optimering - inte bruset från källan som man kanske först antog.
Just impedansanpassning mha. reaktiva komponenter är den stora grejen när man matchar LNA-ingångssteg för lägsta brusfaktor när det gäller RF.
På låga frekvenser så är det transformatorer som gäller om man skall impedansmatcha iom. väldigt stor relativ frekvensomfång - men det du skall matcha emot är signalens impedans - inte resistiva delen i pickupen. Rätt belastning är också viktigt då detta bromsar pickupens ev. okynnesrörelser rent mekaniskt (på samma sätt som lasten dämpar dynamiska mickars 'ringningstedenser' på vissa frekvenser) - rätt matchning är inte bara för signalmässig optimering - det är också för att kontrollera systemets dynamiska/mekaniska beteende med rätt last ge acceptabel (låg) Q-värde.
Just impedansanpassning mha. reaktiva komponenter är den stora grejen när man matchar LNA-ingångssteg för lägsta brusfaktor när det gäller RF.
På låga frekvenser så är det transformatorer som gäller om man skall impedansmatcha iom. väldigt stor relativ frekvensomfång - men det du skall matcha emot är signalens impedans - inte resistiva delen i pickupen. Rätt belastning är också viktigt då detta bromsar pickupens ev. okynnesrörelser rent mekaniskt (på samma sätt som lasten dämpar dynamiska mickars 'ringningstedenser' på vissa frekvenser) - rätt matchning är inte bara för signalmässig optimering - det är också för att kontrollera systemets dynamiska/mekaniska beteende med rätt last ge acceptabel (låg) Q-värde.
Jag trodde att AD797 (också dyr, men billigare) var den op-amp med lägst ingångsbrus. Databladet säger 0,9nV/sqrt(Hz) typ och 50nV p-p, 0,1Hz-10kHz. LT1028 klarar lägre: 35nV p-p, 0,1Hz-10kHz.
En pickup klarar 20-20kHz, +/- 0,1db.
Där är många problem med vinyl, åtminstone teoretiska. Men en sak tycks vara till dess fördel. Signalen vid 20kHz är ca 40db högre än signalen vid 20Hz, eller 20db högre än vid 1kHz.
Intern impedans och DC-resistens tycks vara desamma. Rekommenderad last är vanligen >100ohm. Men i de fall med extremt låg impedans är det ner till >10ohm. Det finns inget rätt värde utan man väljer det som låter bäst. (Om man använder transformatorer har man ofta en zobel på sekundärsidan.)
Om jag har rätt så är inte impedans en faktor i mitt fall (transimpedans). Ström påverkas inte av serieimpedans, om jag har rätt. Men samtidigt är där så mycket jag inte förstår.
Edit: Rensning och förtydligande.
Jag använde denna kalkylator för beräkning av brus: http://www.sengpielaudio.com/calculator-noise.htm
En pickup klarar 20-20kHz, +/- 0,1db.
Där är många problem med vinyl, åtminstone teoretiska. Men en sak tycks vara till dess fördel. Signalen vid 20kHz är ca 40db högre än signalen vid 20Hz, eller 20db högre än vid 1kHz.
Intern impedans och DC-resistens tycks vara desamma. Rekommenderad last är vanligen >100ohm. Men i de fall med extremt låg impedans är det ner till >10ohm. Det finns inget rätt värde utan man väljer det som låter bäst. (Om man använder transformatorer har man ofta en zobel på sekundärsidan.)
Om jag har rätt så är inte impedans en faktor i mitt fall (transimpedans). Ström påverkas inte av serieimpedans, om jag har rätt. Men samtidigt är där så mycket jag inte förstår.
Edit: Rensning och förtydligande.
Jag använde denna kalkylator för beräkning av brus: http://www.sengpielaudio.com/calculator-noise.htm
Jag är lite klokare, tror jag. Men har lite fler frågor.
Först: Min pickup har högre utgång än 2-300uV (vid 5cm/s). Så att nå en nivå på ca 80db lägre än det handlar om att se hur lågt som är möjligt och, framför allt, att få mer förståelse.
Ingången till mitt RIAA-steg är en inverterad op-amp utan virtuellt jordmotstånd. Så den ser ström/ampere och inte spänning. Som jag förstår det går inte strömmen genom operativförstärkaren, utan över feedbackmotståndet. Stämmer det? Och om så är fallet, vad betyder det egentligen? Spelar kanske ingen roll, men utgå från ett motstånd på 220ohm. Förstärkningen är typ 30-40db. (Där är två steg. Det andra är också 30-40db. Totalt runt 70db.)
Vet inte om där finns ett enkelt svar. Men om jag har en icke inverterad op-amp och ett motstånd på 100ohm som last, vad händer med brusnivån jämför med ett transimpedans-steg?
Först: Min pickup har högre utgång än 2-300uV (vid 5cm/s). Så att nå en nivå på ca 80db lägre än det handlar om att se hur lågt som är möjligt och, framför allt, att få mer förståelse.
Ingången till mitt RIAA-steg är en inverterad op-amp utan virtuellt jordmotstånd. Så den ser ström/ampere och inte spänning. Som jag förstår det går inte strömmen genom operativförstärkaren, utan över feedbackmotståndet. Stämmer det? Och om så är fallet, vad betyder det egentligen? Spelar kanske ingen roll, men utgå från ett motstånd på 220ohm. Förstärkningen är typ 30-40db. (Där är två steg. Det andra är också 30-40db. Totalt runt 70db.)
Vet inte om där finns ett enkelt svar. Men om jag har en icke inverterad op-amp och ett motstånd på 100ohm som last, vad händer med brusnivån jämför med ett transimpedans-steg?
Är inte säker på att jag förstår hur det hela ser ut. Kan du hänvisa till ett schema? Första steget räcker nog! Vad har pickupen för impedans? Resistans samt induktans. Finns det transformator mellan pickup och första förstärkarsteg?
Om en OP är kopplad som inverterande eller icke inverterande har ingen betydelse för bruset annat än de bidrag som motstånden i återkopplingen ger. Vid inverterande koppling skall alltså återkopplingsmotståndets resistans vara så stor som möjligt, medan vid ickeinverterande koppling skall resistanserna i återkopplingkedjan vara så små som möjligt för att ge lägsta brusbidrag.
Om en OP är kopplad som inverterande eller icke inverterande har ingen betydelse för bruset annat än de bidrag som motstånden i återkopplingen ger. Vid inverterande koppling skall alltså återkopplingsmotståndets resistans vara så stor som möjligt, medan vid ickeinverterande koppling skall resistanserna i återkopplingkedjan vara så små som möjligt för att ge lägsta brusbidrag.
är nyfiken också - har inte pysslat med just pickuper...
av tidigare inlägg så uppfattade jag att pickuppen gick i strömgenerator-mode (och därmed har hög signalimpedans) men samtidigt anges spänningen i uV - vad avser den spänningen då - open loop??
Om pickupen skall jobba i strömgeneratormode hela tiden så måste lasten/serieresistansen i alla lägen vara så lågt satt att totala spänningen över sammanlagda seriereistansen vid pickupspolens avgivna strömmar inte når upp till pickup-spolens open loop-spänning.
Dvs spänningen skall sjunka betydligt, kanske mer än till hälften mellan när pickupen spelas med öppen slinga resp. med sin last inkopplad. Om man har för högt lastmoståndsvärde kan man hamna man i den besvärliga knäet mellas strömgeneratormatning och spänningsgeneratormatning då sistnämda blir slingresistansskänslig och därmed har man en distorsionsskälla - är detta korrekt uppfattat ???
Med andra ord behöver du en ingång som kan mäta strömmen så lågbrusigt som möjligt, inte spänningen - vilket låter som att du gör med dina beskrivna OP-ampkoppling.
en sak är i allafall klart, vi pratar inte om signalanpassade system i det här fallet.
av tidigare inlägg så uppfattade jag att pickuppen gick i strömgenerator-mode (och därmed har hög signalimpedans) men samtidigt anges spänningen i uV - vad avser den spänningen då - open loop??
Om pickupen skall jobba i strömgeneratormode hela tiden så måste lasten/serieresistansen i alla lägen vara så lågt satt att totala spänningen över sammanlagda seriereistansen vid pickupspolens avgivna strömmar inte når upp till pickup-spolens open loop-spänning.
Dvs spänningen skall sjunka betydligt, kanske mer än till hälften mellan när pickupen spelas med öppen slinga resp. med sin last inkopplad. Om man har för högt lastmoståndsvärde kan man hamna man i den besvärliga knäet mellas strömgeneratormatning och spänningsgeneratormatning då sistnämda blir slingresistansskänslig och därmed har man en distorsionsskälla - är detta korrekt uppfattat ???
Med andra ord behöver du en ingång som kan mäta strömmen så lågbrusigt som möjligt, inte spänningen - vilket låter som att du gör med dina beskrivna OP-ampkoppling.
en sak är i allafall klart, vi pratar inte om signalanpassade system i det här fallet.
Man får inte tro att återkoppling och 'virtuell jord' innebär någon
slags signalanpassning vad avser bruset.
För att analysera brus i steget (OP, inverterande koppling) bryt upp återkopplingen
och lägg återkopplingsmotståndet parallellt med signalkällan inklusive dess induktans.
Det finns väsentligen fyra väsentliga bruskällor, störning oräknad.
1. Resistiva delen i signalkällan (Rs) , pickupen / transformatorn.
2. Återkopplingsmotståndet. Kan försummas om det är mycket större än Rs.
3. OP'ns inre spänningsbruskälla (3nV/sqrt(Hz) för OP27).
4. OP'ns strömbruskälla (0.4 pA/sqrt(Hz) för OP27).
Källa 4 shuntas av källimpedansen (inklusive L) , och kan då räknas om till spänning.
Om bidraget från 4 är lika men bidraget från 3 har man bästa signal/brusförhållande,
dvs impedansanpassning. Detta inträffar om källimpedansen är 2-3 kOhm för OP27, eller
ca 300 ohm för LT1028.
Om pickupen har en impedans (inklusive L) på 3 ohm ligger man alltså ganska lång ifrån anpassning till OP27.
En transformator är då en naturlig utväg, men den bidrar ju också med brus från lindningsresistanser, och dessutom kanske brus från Barkhausen-effekten.
http://en.wikipedia.org/wiki/Barkhausen_effect.
Så visst är det bra att slippa transformatorn.
Har för mig att dessa transformatorer är ganska dyra, men det är kanske mest beror på marknadföring och lurendrejeri.(?)
Om man vill slippa transformatorn så är annan variant AnalogDevise MAT02, som har 0.85nV/sqrt(Hz) och som innehåller två transistorer. Två parallellt blir 0.6nV/sqrt(Hz).
Tror också det finns billigare lågbrustransistorer men kommer inte på rak arm ihåg vad de heter.
Med några parallella transistorer (men med individuell DC-biasering), kan man nog få skapligt resultat.
Editering: Vad gäller transformatorer och Barkhausen, det är tydligen inget problem enligt denna artikel:
http://www.audionotekits.com/agrove_mctx.html
Editering2: Hur skulle det vara med en drös av Toshibas 2SK170. 0.95 nV/sqrt(Hz) vid 1kHz. Sämre vid låga frekvenser.
JFET, 7 kr/st på elfa.
slags signalanpassning vad avser bruset.
För att analysera brus i steget (OP, inverterande koppling) bryt upp återkopplingen
och lägg återkopplingsmotståndet parallellt med signalkällan inklusive dess induktans.
Det finns väsentligen fyra väsentliga bruskällor, störning oräknad.
1. Resistiva delen i signalkällan (Rs) , pickupen / transformatorn.
2. Återkopplingsmotståndet. Kan försummas om det är mycket större än Rs.
3. OP'ns inre spänningsbruskälla (3nV/sqrt(Hz) för OP27).
4. OP'ns strömbruskälla (0.4 pA/sqrt(Hz) för OP27).
Källa 4 shuntas av källimpedansen (inklusive L) , och kan då räknas om till spänning.
Om bidraget från 4 är lika men bidraget från 3 har man bästa signal/brusförhållande,
dvs impedansanpassning. Detta inträffar om källimpedansen är 2-3 kOhm för OP27, eller
ca 300 ohm för LT1028.
Om pickupen har en impedans (inklusive L) på 3 ohm ligger man alltså ganska lång ifrån anpassning till OP27.
En transformator är då en naturlig utväg, men den bidrar ju också med brus från lindningsresistanser, och dessutom kanske brus från Barkhausen-effekten.
http://en.wikipedia.org/wiki/Barkhausen_effect.
Så visst är det bra att slippa transformatorn.
Har för mig att dessa transformatorer är ganska dyra, men det är kanske mest beror på marknadföring och lurendrejeri.(?)
Om man vill slippa transformatorn så är annan variant AnalogDevise MAT02, som har 0.85nV/sqrt(Hz) och som innehåller två transistorer. Två parallellt blir 0.6nV/sqrt(Hz).
Tror också det finns billigare lågbrustransistorer men kommer inte på rak arm ihåg vad de heter.
Med några parallella transistorer (men med individuell DC-biasering), kan man nog få skapligt resultat.
Editering: Vad gäller transformatorer och Barkhausen, det är tydligen inget problem enligt denna artikel:
http://www.audionotekits.com/agrove_mctx.html
Editering2: Hur skulle det vara med en drös av Toshibas 2SK170. 0.95 nV/sqrt(Hz) vid 1kHz. Sämre vid låga frekvenser.
JFET, 7 kr/st på elfa.
Nej, en trafo med tillräckligt stor kärna och hög induktans för använd lägsta frekvens ändrar inte magnetfältet speciellt mycket vid last.
faktum är att magnetfältet minskar ju hårdare trafon är lastat då allt mera förluster tappas av i lindningsresisans och mindre kvarvarande spänning som försöker driva och ändra magnetfält.
En trafo som agerar strömtrafo har i prinsip ingen magnetfält alls som rör sig då spänningen över spolarna är ytterst låga iom. nära kortis på minst 1 sida..
faktum är att magnetfältet minskar ju hårdare trafon är lastat då allt mera förluster tappas av i lindningsresisans och mindre kvarvarande spänning som försöker driva och ändra magnetfält.
En trafo som agerar strömtrafo har i prinsip ingen magnetfält alls som rör sig då spänningen över spolarna är ytterst låga iom. nära kortis på minst 1 sida..
