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

Luca Callegaro, Marco Pisani+1 more|ArXiv.org|Nov 18, 2008

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit Design被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于离散FET的简单放大器，采用共源级结构并结合运算放大器作为跨阻抗级，实现了约0.8 nV/√Hz的等效输入电压噪声——显著低于商用IC型FET放大器（通常≥5 nV/√Hz）。该设计具备高达4 MHz的带宽，1 MHz以内增益平坦度优于±1 dB，无需校准或微调即可作为低噪声前置放大器，适用于信号分析仪和相关测量。

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.

研究动机与目标

• 开发一种低噪声、高输入阻抗的前置放大器，用于微弱电压信号，其噪声性能优于商用IC型FET放大器。
• 通过简单、可构建的离散元件设计，实现低于1 nV/√Hz的电压噪声底限，便于一般实验人员实现。
• 在无需复杂校准或微调的前提下，保持高带宽、平坦增益响应以及优异的电源抑制比（PSRR）。
• 实现作为精密仪器（如信号分析仪和锁相放大器）前端的应用。

提出的方法

• 放大器采用离散FET（如2SK170或LSK170）以共源配置工作，栅源偏置接近0 V。
• 使用运算放大器（如OP27）作为跨阻抗放大器，通过反馈电阻R设定增益，增益为G = gm × R。
• 运算放大器采用单电源配置，通过未稳压电池提供的稳定偏置电压VB建立漏源电压（VDS）。
• 共源级结构抑制米勒效应，实现约4 MHz的3 dB带宽，且1 MHz以内增益平坦度良好。
• 输入通过电容C进行交流耦合，输出连接至网络分析仪或信号分析仪以进行测量。
• 噪声测量采用信号分析仪双通道间的互相关技术，以抑制分析仪自身噪声，确保低噪声底限的准确估计。

实验结果

研究问题

• RQ1 离散FET放大器是否能在保持简单性和易构建性的前提下，实现低于1 nV/√Hz的电压噪声底限？
• RQ2 与标准FET IC相比，采用运算放大器跨阻抗级的共源级结构在带宽和噪声性能方面有何改进？
• RQ3 在噪声、增益平坦度和PSRR等关键指标上，这种简单、未经微调的离散放大器能在多大程度上匹配或超越商用IC型FET放大器的性能？
• RQ4 当使用标准、市售的元器件时，该设计可实现的带宽和增益平坦度如何？

主要发现

• 通过短路输入并采用互相关技术测量，放大器实现约0.8 nV/√Hz的等效输入电压噪声。
• 3 dB带宽达到约4 MHz，1 MHz以内增益平坦度优于±1 dB。
• 电流散粒噪声低于1 fA/√Hz，对应偏置电流为2–3 pA。
• 在实验室环境下初始预热后，放大器的中长期增益稳定性在10³量级以内。
• 在300 K下，约翰逊噪声等效电阻约为38 Ω，证实了其低噪声底限。
• 该设计无需微调即可正常工作，且可使用标准、易获取的元器件（如2SK170 FET和OP27运算放大器）实现。