Low-Noise Preamplifiers

Wählen Sie zunächst die Eingangsarchitektur anhand des Detektorausgangs und der Quellimpedanz, bevor Sie Verstärkung oder Bandbreite vergleichen. Spannungsmodelle eignen sich für Sensoren, die bereits eine messbare Spannung liefern, während Stromvorverstärker Photodioden-, Ionisations- oder andere Detektorströme über eine definierte Transimpedanz in eine Spannung umwandeln. Der SR551 bietet eine Eingangsimpedanz von über 1 TΩ für Quellen, die nicht resistiv belastet werden dürfen, während der SR554 für Quellimpedanzen von 0,05 Ω bis 1 kΩ ausgelegt ist und eine galvanische Trennung per Transformator bietet. Für schnelle Photomultiplier- oder Photodiodenimpulse stellen der SR445A mit 350 MHz und der SR446 mit 400 MHz 50-Ω-Signalpfade bereit. Diese erste architektonische Entscheidung verhindert eine ungeeignete Belastung und vermeidet die Auswahl eines Rauschwerts, der für die tatsächliche Quelle nicht relevant ist.

Das Spannungsrauschen sollte immer zusammen mit der Eingangsimpedanz und dem Eingangsrauschstrom betrachtet werden. Der SR550 und der SIM910 verwenden FET- bzw. JFET-Eingänge mit 100 MΩ Eingangsimpedanz und eignen sich damit besser für Spannungsquellen mit höherer Impedanz als die BJT-Alternativen. Der SR552 und der SIM911 senken das Spannungsrauschen auf 1,4 bzw. 1,8 nV/√Hz, ihre Eingangsimpedanz von 100 kΩ kann eine hochohmige Quelle jedoch belasten. Der SR551 erhöht die Eingangsimpedanz auf über 1 TΩ, wenn die resistive Belastung sehr gering bleiben muss, obwohl sein Spannungsrauschen bei 1 kHz 12 nV/√Hz beträgt. Für niederohmige Quellen zwischen 0,05 Ω und 1 kΩ bietet der SR554 mit einem Transformator-Eingangsrauschen von 0,1 nV/√Hz einen anderen Ansatz.

Der SR445A und der SR446 sind die wichtigsten HF-Optionen für schnelle Detektorimpulse. Der SR445A bietet vier DC-gekoppelte Kanäle mit 350 MHz Bandbreite, 1 ns Anstiegs- und Abfallzeit sowie einer Verstärkung von ×5 pro Kanal; bei Kaskadierung aller vier Kanäle ergibt sich eine nominale Verstärkung von ×625. Der SR446 ist ein einkanaliges 400-MHz-Instrument mit 21 programmierbaren Verstärkungen von ×1 bis ×100, wählbaren Bandbreitenbegrenzungen und komplementären Ausgängen. Beide sind für 50-Ω-Signalpfade ausgelegt, bieten jedoch jeweils auch eine 500-Ω-Eingangsoption für ausgewählte Strom- oder Ladungsausgangskonfigurationen. Eine korrekte Koaxialabschlussbeschaltung bleibt wichtig, da ein nicht abgeschlossener HF-Kabelweg die Amplitude verändern, Reflexionen verursachen oder die Verstärkerstabilität beeinträchtigen kann.

Der SR560 eignet sich für einen eigenständigen Laboraufbau, der einen großen Verstärkungsbereich, konfigurierbare analoge Filterung und Batteriebetrieb erfordert. Er bietet eine Verstärkung von ×1 bis ×50.000, zwei konfigurierbare Filter mit Grenzfrequenzen von 0,03 Hz bis 1 MHz, differentielle oder unsymmetrische Eingänge sowie bis zu 15 Stunden Batteriebetrieb. Der SIM910 und der SIM911 sind modulare Alternativen mit einer Verstärkung von ×1 bis ×100, Betrieb von DC bis 1 MHz und serieller Steuerung über einen kompatiblen Mainframe. Der SIM910 bietet einen 100-MΩ-JFET-Eingang, während der SIM911 mit einem 100-kΩ-BJT-Eingang ein geringeres Spannungsrauschen liefert. Die Auswahl hängt daher vom benötigten Verstärkungsbereich, der Quellimpedanz, der Filterung, der physischen Integration und davon ab, ob ein netzunabhängiger Betrieb erforderlich ist.

Der SR570 ist die flexible Wahl, wenn ein Experiment einen großen Bereich an Stromstärken und Bandbreiten abdecken muss. Seine Empfindlichkeit reicht von 1 pA/V bis 1 mA/V, mit konfigurierbaren Filtern, einstellbarem Eingangsoffsetstrom, ±5 V Vorspannung und Betriebsarten, die zwischen Rauschen, Bandbreite und Drift abwägen. Der SR555 und der SR556 sind kompakte Alternativen mit fester Verstärkung: Der SR555 bietet 10⁷ V/A bei 120 kHz Bandbreite, während der SR556 10⁹ V/A bei 3 kHz Bandbreite und 5 fA/√Hz Eingangsrauschen liefert. Der SIM918 bietet wählbare Verstärkungen von 10⁶ bis 10⁸ V/A, eine verstärkungsabhängige Bandbreite von 22 bis 4 kHz sowie eine Autozero-Funktion, die den Eingangsoffset unter 10 µV hält. Die passende Wahl hängt davon ab, ob das Design eine breite Einstellbarkeit, eine feste Umwandlungsverstärkung, geringen Offset oder modulare Fernsteuerung erfordert.

Platzieren Sie den Vorverstärker nach Möglichkeit nahe am Detektor, insbesondere bei Stromquellen, deren Kabelkapazität das Rauschen erhöhen und die Bandbreite begrenzen kann. Bei HF-Modellen sollten korrekt abgeschlossene 50-Ω-Koaxialverbindungen verwendet werden, während die 500-Ω-Einstellungen nur dann eingesetzt werden sollten, wenn ihre höhere Eingangsimpedanz zum Detektor und zur Verkabelung passt. Der SR555 und der SR556 verfügen über symmetrische differenzielle Ausgänge; deshalb sind gleich lange Ausgangskabel und ein differenzieller Empfängereingang vorzuziehen. Potenzialfreie Eingänge und Abschirmungen bei SR560, SIM910 und SIM911 können helfen, Erdschleifen zu beherrschen, sofern die Gleichtaktgrenzen eingehalten werden. Wenn galvanische Trennung erforderlich ist, bietet der SR554 eine Isolation von mehr als 40 dB von DC bis 500 MHz und ermöglicht es, seine Transformator-Primärseite bis ±100 VDC potenzialfrei zu betreiben.

Der SR560 und der SR570 bieten eine reine Empfangssteuerung über RS-232 mit 9600 Baud, sodass sich Geräteeinstellungen aus der Ferne ändern lassen, während die Schnittstelle von der Analogschaltung isoliert bleibt. Der SR446 nutzt USB mit serieller Portemulation und unterstützt die Fernkonfiguration von Eingangskopplung, Impedanz, Verstärkung und Ausgangsfilterung. SIM910, SIM911 und SIM918 verwenden eine serielle Schnittstelle über die modulare Instrumentierungsplattform und erlauben sowohl das Abfragen als auch das Ändern von Einstellungen. SR445A, SR550, SR551, SR552, SR554, SR555 und SR556 werden dagegen hauptsächlich über Hardware-Bedienelemente oder feste Betriebsarten konfiguriert. Entwickler automatisierter Systeme sollten daher prüfen, ob sie ferngesteuerte Einstellungsänderungen, Statusrückmeldungen oder lediglich ein festes analoges Frontend benötigen.

Eine höhere Strom-Spannungs-Umsetzung verringert in der Regel die verfügbare Bandbreite, daher müssen beide Werte gemeinsam gewählt werden. Beim SR570 unterstützt eine Empfindlichkeit von 10⁻³ A\/V Bandbreiten bis 1 MHz, während die Einstellung 10⁻¹² A\/V auf 10 Hz begrenzt ist. Der SIM918 bietet 22 kHz Bandbreite bei 10⁶ V\/A, 12 kHz bei 10⁷ V\/A und 4 kHz bei 10⁸ V\/A. Die Festverstärkungsmodelle SR555 und SR556 veranschaulichen denselben Zielkonflikt und bieten 120 kHz bei 10⁷ V\/A beziehungsweise 3 kHz bei 10⁹ V\/A. In der Praxis sollten Sie eine ausreichend hohe Transimpedanz wählen, damit das Signal oberhalb des nachfolgenden Rauschens liegt, und die Messbandbreite anschließend auf den Spektralbereich mit den nutzbaren Informationen begrenzen.