[논문 리뷰] Very simple FET amplifier with a voltage noise floor less than 1 nV/sqrt(Hz)

Luca Callegaro, Marco Pisani외 1명|ArXiv.org|2008. 11. 18.

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit Design인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 운영 증폭기(operational amplifier)를 전환임피던스 단계로 사용하는 캐스코드 구성의 간단한 이산 FET 기반 증폭기를 제시한다. 이로 인해 등가 입력 전압 노이즈가 약 0.8 nV/√Hz에 도달하여 상용 IC 기반 FET 증폭기(일般 ≥5 nV/√Hz)보다 훨씬 낮아진다. 이 설계는 최대 4 MHz의 고대역폭, 1 MHz 이하에서 ±1 dB 이내의 평탄한 이득 응답을 달성하며, 校정 또는 트리밍이 필요 없이 신호 분석기 및 상관 측정에 적합한 저노이즈 프론트엔드로 사용될 수 있다.

ABSTRACT

A field-effect transistor (FET) amplifier for small voltage signals is presented. Its design is elementary and the construction can be afforded by anyone. Despite its simplicity, with a voltage noise less than 1 nV/sqrt(Hz), it outperforms commercially available integrated FET amplifiers. The amplifier has a gain flatness better than 1 dB over 1 MHz bandwidth; it can be employed as a front-end for signal analyzers or signal recovery systems.

연구 동기 및 목표

• 소규모 전압 신호를 위한 저노이즈, 고임피던스 프리앰프를 개발하여 상용 IC 기반 FET 증폭기보다 노이즈 성능에서 뛰어나게 한다.
• 일반 실험자들이 접근 가능한 단순하고 구현 가능한 이산 부품 설계를 통해 1 nV/√Hz 이하의 전압 노이즈 수준을 달성한다.
• 복잡한 校정 또는 트리밍 없이도 고대역폭, 평탄한 이득 응답 및 뛰어난 전원 공급 전압 제거비율(PSRR)을 유지한다.
• 신호 분석기 및 락인 증폭기와 같은 정밀 측정 장치의 프론트엔드로 사용 가능하도록 한다.

제안 방법

• 증폭기는 FET(예: 2SK170 또는 LSK170)를 공통 소스 구성으로 사용하며, 게이트-소스 전압을 약 0 V로 설정한다.
• 운영 증폭기(예: OP27)를 피드백 저항소자 R를 사용하여 전환임피던스 증폭기로 사용하며, 이로 인해 이득 G = gm × R로 설정된다.
• 운영 증폭기는 단일 전원 구동 방식을 사용하며, 불규칙한 배터리에서 유도된 안정된 바이어스 전압 VB를 통해 드레인-소스 전압(VDS)을 설정한다.
• 캐스코드 구성은 밀러 효과를 억제하여 약 4 MHz의 3 dB 대역폭과 1 MHz 이하에서 평탄한 이득 응답을 달성한다.
• 입력은 커패시터 C를 통해 교류 커플링되며, 출력은 네트워크 분석기 또는 신호 분석기와 연결되어 측정된다.
• 노이즈 측정은 신호 분석기의 두 채널 간의 상관관계를 이용하여 분석기 자체의 노이즈를 제거함으로써 정확한 저노이즈 수준 추정을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이산 FET 증폭기가 단순성과 구현 용이성은 유지하면서도 1 nV/√Hz 이하의 전압 노이즈 수준을 달성할 수 있는가?
• RQ2 운영 증폭기 전환임피던스 단계를 포함한 캐스코드 구성은 표준 FET IC 대비 대역폭 및 노이즈 성능을 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 간단하고 트리밍이 없는 이산 증폭기가 주요 성능 지표인 노이즈, 이득 평탄도, PSRR에서 상용 IC 기반 FET 증폭기와 견줄 수 있거나 이를 초월할 수 있는가?
• RQ4 일반적으로 유통되는 부품을 사용할 경우, 이러한 설계로 달성 가능한 대역폭과 이득 평탄도는 어느 정도인가?

주요 결과

• 입력을 단락으로 연결한 상태에서 상관관계 기법을 사용해 측정한 결과, 증폭기의 등가 입력 전압 노이즈는 약 0.8 nV/√Hz에 도달한다.
• 3 dB 대역폭은 약 4 MHz에 도달하며, 1 MHz 이하에서 이득 평탄도는 ±1 dB 이내이다.
• 현재의 쇼트 노이즈는 1 fA/√Hz 미만이며, 이는 2–3 pA의 바이어스 전류에 해당한다.
• 초기 워밍업 이후 실험실 환경에서 장기적으로 약 10³의 정밀도로 이득 안정성이 유지된다.
• 300 K에서 존슨 노이즈 등가 저항은 약 38 Ω로 측정되어 낮은 노이즈 수준을 확인한다.
• 이 설계는 트리밍 없이도 완전히 기능하며, 2SK170 FET와 OP27 운영 증폭기와 같은 표준적으로 구할 수 있는 부품만으로도 제작이 가능하다.