Low-Noise Preamplifiers

Kies eerst de ingangsarchitectuur op basis van de detectoruitgang en de bronimpedantie, voordat u versterking of bandbreedte vergelijkt. Spanningsmodellen zijn geschikt voor sensoren die al een meetbare spanning genereren, terwijl stroomvoorversterkers fotodiode-, ionisatie- of andere detectorstromen via een opgegeven transimpedantie omzetten in een spanning. De SR551 biedt een ingangsimpedantie van meer dan 1 TΩ voor bronnen die niet resistief belast mogen worden, terwijl de SR554 is bedoeld voor bronimpedanties van 0,05 Ω tot 1 kΩ en transformatorisolatie biedt. Voor snelle pulsen van fotomultipliers of fotodiodes bieden de 350 MHz SR445A en 400 MHz SR446 50 Ω-signaalpaden. Deze eerste architectuurkeuze voorkomt ongeschikte belasting en voorkomt dat u een ruisgetal kiest dat voor de werkelijke bron niet relevant is.

Het spanningsruisniveau moet samen worden beoordeeld met de ingangsimpedantie en de ingangsstroomruis. De SR550 en SIM910 gebruiken FET- of JFET-ingangen met een ingangsimpedantie van 100 MΩ, waardoor ze geschikter zijn voor spanningsbronnen met een hogere impedantie dan de BJT-alternatieven. De SR552 en SIM911 verlagen de spanningsruis tot respectievelijk 1,4 en 1,8 nV/√Hz, maar hun ingangsimpedantie van 100 kΩ kan een bron met hoge weerstand belasten. De SR551 verhoogt de ingangsimpedantie tot boven 1 TΩ wanneer resistieve belasting zeer laag moet blijven, al bedraagt de spanningsruis 12 nV/√Hz bij 1 kHz. Voor laagohmige bronnen tussen 0,05 Ω en 1 kΩ biedt de SR554 een andere benadering met een transformator-ingangsruis van 0,1 nV/√Hz.

De SR445A en SR446 zijn de belangrijkste RF-keuzes voor snelle detectorpulsen. De SR445A biedt vier DC-gekoppelde kanalen met een bandbreedte van 350 MHz, een stijg- en daaltijd van 1 ns en een versterking van ×5 per kanaal; door alle vier te cascaderen ontstaat een nominale versterking van ×625. De SR446 is een instrument met één kanaal en 400 MHz, met 21 programmeerbare versterkingen van ×1 tot ×100, selecteerbare bandbreedtelimieten en complementaire uitgangen. Beide zijn ontworpen rond 50 Ω-signaalpaden, al biedt elk ook een 500 Ω-ingangsoptie voor specifieke configuraties met stroom- of ladingsuitgang. Correcte coaxiale terminatie blijft belangrijk, omdat een niet-afgesloten RF-kabel de amplitude kan veranderen, reflecties kan introduceren of de stabiliteit van de versterker kan beïnvloeden.

De SR560 is geschikt voor een zelfstandige benchopstelling waarbij een groot instelbereik voor de versterking, configureerbare analoge filtering en batterijvoeding nodig zijn. Hij biedt een versterking van ×1 tot ×50.000, twee configureerbare filters met afsnij-instellingen van 0,03 Hz tot 1 MHz, differentiële of single-ended ingangen en tot 15 uur batterijbedrijf. De SIM910 en SIM911 zijn modulaire alternatieven met een versterking van ×1 tot ×100, werking van DC tot 1 MHz en seriële besturing via een compatibel mainframe. De SIM910 biedt een 100 MΩ JFET-ingang, terwijl de SIM911 lagere spanningsruis biedt met een 100 kΩ BJT-ingang. De keuze hangt daarom af van het vereiste versterkingsbereik, de bronimpedantie, filtering, fysieke integratie en of netonafhankelijke werking nodig is.

De SR570 is de flexibele keuze wanneer één experiment een breed bereik aan stroomniveaus en bandbreedtes moet afdekken. De gevoeligheid loopt van 1 pA/V tot 1 mA/V, met configureerbare filters, instelbare ingangsoffsetstroom, ±5 V bias en bedrijfsmodi die een afweging maken tussen ruis, bandbreedte en drift. De SR555 en SR556 zijn compacte alternatieven met vaste versterking: de SR555 biedt 10⁷ V/A met 120 kHz bandbreedte, terwijl de SR556 10⁹ V/A biedt met 3 kHz bandbreedte en 5 fA/√Hz ingangsruis. De SIM918 biedt selecteerbare versterkingen van 10⁶ tot 10⁸ V/A, een van de versterking afhankelijke bandbreedte van 22 tot 4 kHz en een autozero-functie die de ingangsoffset onder 10 µV houdt. De juiste keuze hangt af van de vraag of het ontwerp brede instelbaarheid, een vaste omzettingsversterking, lage offset of modulaire afstandsbediening vereist.

Plaats de voorversterker indien praktisch mogelijk dicht bij de detector, vooral bij stroombronnen waarvan de kabelcapaciteit de ruis kan vergroten en de bandbreedte kan beperken. RF-modellen moeten correct afgesloten 50 Ω-coaxverbindingen gebruiken, terwijl de 500 Ω-instellingen alleen gebruikt mogen worden wanneer hun hogere ingangsimpedantie past bij de detector en de bekabelingsconfiguratie. De SR555 en SR556 beschikken over gebalanceerde differentiële uitgangen, waardoor uitgangskabels van gelijke lengte en een differentiële ontvangende ingang de voorkeur hebben. Zwevende ingangen en afschermingen op de SR560, SIM910 en SIM911 kunnen helpen aardlussen te beheersen, mits de common-modegrenzen worden gerespecteerd. Wanneer galvanische scheiding vereist is, biedt de SR554 meer dan 40 dB isolatie van DC tot 500 MHz en kan de primaire zijde van de transformator zweven tot ±100 VDC.

De SR560 en SR570 bieden uitsluitend ontvangende RS-232-besturing op 9600 baud, zodat instrumentinstellingen op afstand kunnen worden gewijzigd terwijl de interface geïsoleerd blijft van de analoge schakelingen. De SR446 gebruikt USB met seriëlepoortemulatie en ondersteunt configuratie op afstand van ingangskoppeling, impedantie, versterking en uitgangsfiltering. De SIM910, SIM911 en SIM918 gebruiken een seriële interface via het modulaire instrumentatieplatform en maken het mogelijk om instellingen zowel uit te lezen als te wijzigen. De SR445A, SR550, SR551, SR552, SR554, SR555 en SR556 worden hoofdzakelijk geconfigureerd via hardwarebediening of vaste bedrijfsinstellingen. Ontwerpers van geautomatiseerde systemen moeten daarom nagaan of zij wijzigingen van instellingen op afstand, statusuitlezing of alleen een vaste analoge front-end nodig hebben.

Een hogere stroom-naar-spanningsconversie verlaagt doorgaans de beschikbare bandbreedte, dus beide waarden moeten samen worden gekozen. Bij de SR570 ondersteunt een gevoeligheid van 10⁻³ A\/V een bandbreedte tot 1 MHz, terwijl de instelling van 10⁻¹² A\/V beperkt is tot 10 Hz. De SIM918 biedt een bandbreedte van 22 kHz bij 10⁶ V\/A, 12 kHz bij 10⁷ V\/A en 4 kHz bij 10⁸ V\/A. De SR555 en SR556 met vaste versterking laten dezelfde afweging zien, met respectievelijk 120 kHz bij 10⁷ V\/A en 3 kHz bij 10⁹ V\/A. Kies in de praktijk voldoende transimpedantie om het signaal boven de ruis van volgende trappen uit te tillen en beperk daarna de meetbandbreedte tot het deel van het spectrum dat nuttige informatie bevat.