ローノイズアンプ ・ ・ ・ (LNA) - フルバランスアンプ (X_Under bar)

        
2015/06/24

ローノイズアンプ ・ ・ ・ (LNA)

最近は、レコード再生でフォノアンプやMCヘッドアンプの需要も増え、ローノイズアンプに関心を持たれている方も多いと思います。

CDの基準電圧が2Vに対して、レコードのMCカートリッジでは0.25mV、MMで2.5mVと基準レベルがかなり低く、今考えると、0.25mVが基準とは凄い低レベルです。また、これに合わせたローノイズアンプを作ること自体大変な技術が必要で、CDの2V基準は超簡単レベルになると思います。昔は凄かった。
 
現在ローノイズアンプを構成するにもローノイズに適したデバイス(J-FET、トランジスター)がディスコン(製造中止)になっています。
最近では、ローノイズ設計に耐えられる高性能OPアンプもでておりますが、超ローノイズを狙う場合は、初段はディスクリート構成で設計する必要があります。
 
今回の製作目的は、レコードのフォノアンプやヘッドアンプではなく、アンプのS/N、残留ノイズを測定するためのローノイズアンプです。
色々と調べていたらトラ技に、今回にピッタリの記事が掲載されていました。また、CQ出版社からキットの頒布もあるようですが、価格29,160円(税込)は少し考えます。
http://shop.cqpub.co.jp/hanbai/books/I/I000114.html
 
 
先ず、ノイズについて調べてみました。

トラ技の2014年8月号に詳しく掲載されておりますので、こちらを読むと勉強になります。あと、本には部品レベルのノイズ実測データも掲載されています。
ノイズの種類も色々と有りますが、半導体(増幅素子)に関わるノイズは以下のようなノイズがあります。
 
① 熱雑音(サーマルノイズ)
熱によって抵抗(R)内部の自由電子が動きノイズを発生します。防ぐことが出来ないノイズです。
 
② 揺らぎ雑音(フリッカノイズ、1/fノイズ)
素子に電流が流れると発生するノイズです。発生原因は色々あるようです。
 
③ ショット雑音(ショットノイズ)
電子がエネルギーを持った粒子と考えると、毎秒同じ数の粒子(電子の粒)が流れても時間的には揺らぎとなり、この揺らぎがノイズとなります。
難しくてよく分かりませんが、電子が粒々なので滑らかな動きができないので、揺らぎが発生してその揺らぎがノイズになるようです。
 
 
ノイズは、物理計算で求めることができます。
簡単に説明しますが詳しくはネットで調べて下さい。その方が勉強になります。www

この①、②、③の3つのノイズで一番大きいノイズが熱雑音です。
アンプのノイズは、この熱音雑音に支配されています。
計算式:
熱雑音電圧⇒平均実効電圧(RMS)は、以下の式で求められます。
 
雑音の平均実効電圧(RMS) = √ ( 4 × kB × T × R × Δf )
 
kB:ボルツマン定数 (1.38E-23 J/K)、 T:絶対温度(K)、 R 抵抗又は抵抗器(Ω)、 Δf:周波数帯域(Hz)
 
式で分かると思いますが、抵抗(半導体内部の抵抗)又は外部接続された抵抗器でノイズが発生します。
ノイズを減らすのには、抵抗値(R)を小さくする、アンプの使用温度(T)を下げる、アンプの帯域(Δf)を狭くすることです。
 
少し計算してみましょう。
例1:温度25[℃]=298[k]、R=1M [Ω]、Δf=100k[Hz]のアンプ、40μV(-88dB)
例2:温度25[℃]=298[k]、R=1M [Ω]、Δf=20k [Hz]のアンプ、18μV(-95dB)
例3:温度25[℃]=298[k]、R=100[Ω]、Δf=100k[Hz]のアンプ、0.4μV(-128dB)
例4:温度25[℃]=298[k]、R=100[Ω]、Δf=20k [Hz]のアンプ、0.18μV(-135dB)
 
アンプの入力抵抗が1MΩで帯域100kHzの場合の残留ノイズを、40μV(-88dB)より小さくする事は理論上できません。
なお、dB表示は、1Vを0dBとした場合です。

アンプ回路のノイズ性能は、初段で全てが決まります。
また、入力インピーダンスを1MΩで考えるとJ-FETを使用する必要があります。
ところが、ローノイズタイプのJ-FETは、既にディスコンになっています。
今私が持っているのは、2SK170か2SK369です。
2SK369は、|Yfs|=40mS(標準)と非常に高利得ですのでこれを使ってやれと考えています。
ただし、秋月電子さんで販売している2SK369は、YランクでIDSSが14~30mAとかなり電流が多く使い辛いです。2SK170の方が良いかと思います。
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-01795/
 
取りあえず回路図を、

 

 
一つ目は、おじさん工房さんの回路をそのまま使わせて頂き、二つ目が初段のソース側に定電流回路を入れてみました。
 
二つ目の回路は、もう少し考えましょう。

コメント

No title

この回路では、2つ目の定電流回路を取り組んだ回路が、良さそうですね。完成が楽しみですね!

No title

ローノイズアンプに興味ありました。
CQ出版社からキットの頒布は、ちょっと高価なのでお安い基板配布等興味あります。
宜しくお願いします。

No title

いさおさん、 おはようございます。

たぶん、2番目の方が特性が良くなると思います。
このままでは、面白く無いので、20kHzのLPFかIHF(A)のフィルターを入れようかと考えています。

No title

kna*a11*1さん、おはようございます。

ローノイズアンプ、ご興味ありますか?
このアンプ、必要なの私だけかと思っておりました。
上手く行くか分かりませんが、ご必要で有れば、頒布も考えます。

No title

ロバートプラントさん、A2さん、おはようございます。
ナイス! ありがとうございます。

No title

某所からのぞいてみました。わーい頑張れー!!!

No title

cat3さん、 こんにちは、

ありがとうございます。
何処から覗いているのですか???
昼間からビール飲んでいたのばれましたね。(笑

No title

こんにちは。ハイゲインEQなのでしょうか?

No title

雪だるまさん、こんにちは、

このアンプは、ただ単にローノイズで60dB増幅するアンプです。
ノイズレベルを測るために作る予定です。
NFB回路を換えれば、RIAAカーブのイコライザーにも成ると思います。
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