Un préamplificateur très faible bruit

Comment réaliser un préamplificateur très faible bruit ?

Et d'abord, qu'est-ce que le bruit ?

Le bruit en électronique, c'est une variation aléatoire du signal qui se traduit par un Pschhhhhhh audio.... caractéristique.

Le bruit limite le signal vers le bas, la saturation limite le signal vers le haut, la différence entre les deux s'appelle la dynamique, exprimée en dB (décibel)

Si on veut une grande dynamique, il faut repousser au maximum la saturation (en général, en électronique autour d'une dizaine de volts) et diminuer le bruit le plus possible.

Par exemple, un tourne disque a une dynamique de l'ordre de 60 dB, un CD, bien enregistré autour de 90 à 100 dB, avec un enregistrement 24 bits, 96 kHz...on doit atteindre 110 dB

Tout composant électronique émet un bruit.

Par exemple, une résistance R émet un bruit En= Racine(4 k T R B)

En : tension de bruit en Volt RMS

k constante de Boltzmann 1.38 10^-23

T température absolue en Kelvin

R valeur de la résistance en ohm.jpg

B bande passante mesurée en Hz

Exemple : une résistance de 50 ohm.jpg à 27 °C et une bande passante (audio) de 20 kHz produit un bruit de 125 nV soit -136 dBm soit 0.91 nV/racine(Hz)

1 kohms : 559 nV, -122dBm, 4.07 nV/racine(Hz)

Nota : pour faire un préampli faible bruit, il faut des résistances très faibles...

Les composants électroniques produisent du bruit, par exemple, un amplificateur opérationnel produit une tension de bruit en nV/racine(Hz) et un courant de bruit en pA/racine(Hz).

Pour concevoir un préampli très faible bruit, il faut connaître l'impédance de la source.

Les AOP (ampli op) existent avec des transistors d'entrée à injection NPN ou PNP comme le NE5532 : ils ont une faible tension de bruit mais un courant de bruit non négligeable : ils conviennent pour des sources de faibles impédances inférieure à 10 kohm.jpg.

Les AOP existent aussi avec des transistors d'entrée JFet comme le TL072 qui ont une tension de bruit plus élevée mais un courant de bruit négligeable qui conviennent pour des sources d'impédance élevée supérieure à 10 kohm.jpg.

A noter aussi qu'un bon transfo audio blindé peut être très efficace pour amplifier une source avec peu de bruit...(intéressant pour une source de quelques ohms d'impédance)

Avec des transistors à injection, il  faut que la résistance de base équivalente Rbb soit la plus faible possible, autrement dit, une puce assez large et un transistor suffisamment puissant capable d'encaisser 1 ou plusieurs A.. Ce que les constructeurs ne peuvent pas faire dans les AOP faute de surface de silicium.

Ici, nous proposons de modifier un AOP faible bruit standard pour le modifier et remplacer ses transistors d'entrée.

Comment est-ce possible ? on peut utiliser les entrées de balance de l'AOP.

Nous avons choisi l'AOP faible bruit NE5534A : qui est un amplificateur opérationnel faible bruit : 3.5 nV/racine(Hz) ce qui est déjà bien

bruit01.jpg

Si on regarde son schéma interne de près : 

bruit02.jpg

On peut bloquer ses transistors d'entrée pour les remplacer au niveau des bornes 1 et 8 de balance.

Nous proposons le schéma suivant :

bruit03.jpg

Les entrées + et -  sont reliées aux -15 V : les transistors d'entrée de l'AOP sont bloqués.

Une Led sert de référence de tension et le transistor NPN quelconque (nous avons choisi un BC239C) sert de générateur de courant. (son bruit est en mode commun et ne sera pas amplifié...)

Une paire différentielle est constituée avec deux transistors de puissance d'une Rbb minimum.

Les collecteurs sont reliés au Vcc via 2 résistances (à ajuster pour une chute de tension de 2.5V : 1.8 kohm.jpg à vérifier)  et l'ensemble constitue un nouvel AOP très faible bruit.

Nous avons ensuite relié la sortie de l'AOP à l'entrée - via une résistance de 100 kohm.jpg et l'entrée - à la masse via une résistance de 100 ohm.jpg en série avec un gros chimique (220 uF)

Dans les préamplificateurs faible bruit, il faut utiliser des gros chimiques, sinon leur impédance croît dans les basses fréquences et on fabrique du bruit TBF : bruit rose)

La nouvelle entrée -  est reliée à la masse via une résistance de 10 kohm.jpg et un chimique de 220 uF relié à l'entrée (à la masse pour mesurer le bruit du préampli)

Nous avons donc un préamplificateur très faible bruit de gain 1000 soit 60 dB.

Évidemment, l'ensemble doit être à l'intérieur d'un coffret métallique blindé, entrée et sortie BNC, l'idéal serait de l'alimenter avec 2 piles de 9V (pas de piles 9V rechargeables LiPo qui ont un convertisseur "bruyant")

Il faut choisir le meilleur modèle de transistor : 

Nous proposons à tester: 

MAT01 (pas donné) (nous avons construit, il y a pas mal d'années un AOP hybride NE5534A et MAT01 pour réaliser un préamplificateur cellule Pick uP pour lequel il doit être difficile de faire beaucoup mieux, à part, peut-être, avec un micro transfo élévateur...)

BD139

BD140

Une fois le meilleur modèle trouvé, l'idéal est d'en tester pas mal et de choisir les 2 meilleurs...

On atteint ici pratiquement 0.5 nV/racine(Hz), il sera difficile de faire mieux.

Pour améliorer encore un peu le système: 

On peut réaliser plusieurs préamplis faible bruit et les mettre en // (avec des résistances de 100 ohm.jpg par exemple en sortie pour le mélange)

Si on réalise n préamplis en // on diminue le bruit de racine (n). Attention : on augmente le courant de bruit.

On peut installer les 2 transistors d'entrée sur un module à effet Peltier:

Si on refroidit les transistors à - 50°C (ce qui paraît réalisable) (le constructeur de BD140 annonce -55 à +150 °C)

On passe de 300°K à 220°K environ , on va donc gagner racine (220/300) = 0.86 soit un peu plus de 0.4 nV/racine(Hz) : a priori, le jeu n'en vaut pas la chandelle.

(On pourrait descendre encore plus bas avec 2 étages de Peltier : compliqué et hors specs constructeur)...

That's All, folks !

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11/04/2020