探索灵敏度极限2: 寻找噪声最小的高频JFET
本帖最后由 Edmon 于 2025-3-30 06:24 编辑书接上回（http://www.crystalradio.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=2186278&extra=&page=1）
我们继续来探索实现中短波终极灵敏度的必要元素。不想看过程的朋友，结果在第四小节开始。
1. 前言
上次总结了目前市面上的磁棒的性能。想要能够利用R40C1带来的超高空载Q值，一方面需要电路的改进，用反馈线圈来降低Q，另一方面离不开超低噪声的JFET。BJT巨大的电流噪声使得其无法在高阻读出的场合应用，MOSFET一般远大于1MHz的1/f拐点使得其在中波范围的噪声巨大，所以差不多只能用JFET。
这里我尽可能全面的测试一下目前在产的低噪声JFET，看看哪个更适合中波的读出。
下表是一些低噪声的JFET。型号格子为蓝色的是在Mouser还有出售，我此次测量的器件。我还测了几个表格里没写的。说到高频JFET，最经典的应该就是BF862了。自从停产之后，似乎还没有能超于它的器件，这次我找不到BF862做对比，不过有个山寨BF862乱入。以下是我测量的的：BF862(假货，不知哪里有能买到正品），MMBFU310，2SK209Y/GR, MCH3914, 2SK932, CPH3910, 2SK3557-7, 2SK2394-7, JFE150, 2SK596, BF998(MOSFET，只为了证明一下它真不能用在低频), 2SK508(UTC的山寨），MMFBJ201, J310。除了括号里注释的，其余都是Mouser购入，大概率是正品。
2. 已有的测试
从前已经有网友做过类似测试，但都有很多不尽如人意的地方使得它们不能提供我们需要的信息。
第一个，https://www.mvaudiolabs.com/diy/modern-jfet-noise-measurements/，这个测试挺全的，但不知为何只测到了10mA的电流。我们追求低噪声自然也不会吝啬再加个10mA。而且我对这个作者的电路以及校准方法有所怀疑，TL072的噪声太大了，校准稍有差池可能就差很多。
第二个，https://audioxpress.com/article/measurements-rate-new-smt-low-voltage-jfets-under-consistent-conditions-an-update-using-modern-jfets，这个更惨不知道为啥用1mA来测这些低噪声器件。
这次我尽量考虑到这些，一是电路上采用低噪声的放大器来读出，二是既测量2mA的小电流，又测量大电流到Idss，这样就能知道这些器件最低的噪声。
3. 原理
原理可以参见上面的第一个链接，以及我很久之前尝试过一次也有描述：http://www.crystalradio.cn/forum.php？mod=viewthread&tid=2115056&page=1#pid25798931
简而言之就是把JFET接成共源极放大，然后测量输出端的噪声，通过放大倍数换算到输入端。繁杂的是每改变电流或者更换器件，都需要重新测量校准放大倍数。这个校准是通过在gate串联一个电阻来实现的。给定阻值可以算出它的热噪声，这个数字就成了标定放大器噪声的基准。
那次偷懒用了洞洞板，很不稳定，而且用了AD8099做放大输入阻抗太低。这次下决心打了板子，放大器换成OPA2210。用了多层板有整个地层，即使不加任何屏蔽，在uV级别上整个频谱上除了工频干扰没有一个峰。为了进一步屏蔽工频干扰我把它装到了铸铝的盒子里。但是JFE150的测试时没盖好还是漏进来了一些。
电路图：
一个简单的电路搞到这么多个元件，就是为了测量方便，因为需要来回切换各种电阻。JFET出来之后的信号分了两路，上面低频一路用OPA2210放大100倍，然后可以用声卡采样读出，用YAMAHA U24C声卡192kHz采样率能测到~96kHz。下面一路是高频，这次偷懒没焊。不过这个不是很重要，因为JFET在1/f以上的频率的噪声是很平坦的。
测量步骤：
每次改变电流或者更换器件之后，都需要取三个数据：
1. 不安装JFET，测量OPA2210组成的放大器和周围原件的总体噪声，称之为baseline
2. 安装JFET，调到给定的Id，栅极串联一个电路（我这里用了10kOhm，选择的依据是其热噪声要是被测器件的10倍以上），测量输出噪声
3. 安装JFET，把栅极串联的电路短路，测量输出噪声。这个就是我们要的结果，但需要前两组数据才能把这个值换算到有意义的输入等效电压。否则不知道准确的放大倍数，测出的电压都是相对值。
下图是一个例子：
4. 测量结果
4.1 I=Idss
先看最低噪声（电流最大I=Idss）的情况。
单从噪声来讲，JFE150是当之无愧最好的，6nV/rtHz。但它较大的输入电容其实不太适合用在高频，我这里测它主要是为了验证一下这个噪声测试装置的有效性。然后2SK2394和2SK3557几乎如出一辙，毕竟据说这两者的晶圆其实是一样的。出乎意料的是，这个假的不能再假的BF862（能明显看出是打磨过再印字的），噪声还没有太差，而且它还是个JFET。我买过一些假货甚至拿BJT打磨装FET卖。
放在一张图看起来太挤，也不好找出对应的图标，我把几个性能不太好的单独放在第二张图：
* BF998: 这是个MOSFET，有些坛友尝试过把它用在中波。但MOSFET在MHZ依然有巨大的1/f噪声。我这次只能测到100kHz，所以看不到它真实的高频表现。不过至少按照这个趋势它在中波的频率依然是1/f主导的。
* 2SK596: 这个便宜音频MOSFET，实在是不怎么样
* 2SK508(UTC 山寨版)：把JFET做成这样也是没谁了。不过至少这个我是确定它在1MHz以上是能有1nV/rtHz左右的低噪声的，因为同样用它的Siglent SDS800示波器在高频范围就有很好的表现。这么差劲的GR噪声注定它不能用于振荡器，否则相位噪声爆表。
* MMBFJ201: 这个倒是不能说差劲，它本身是个低电流器件，0.25mA能有这个噪声已经是非常棒了。
* J310（直插版）：比起MMBFJ310/U310，老版本的直插貌似差劲不少
但是——我们不能只看噪声的大小，还要考虑到它们的输入电容。有些器件的输入电容小，可以多个并联使用，噪声就会按照1/sqrt(N)减小。所以下图我们来比较一下，把噪声换算到到总电容等于12pF的时候。这才是对中波放大重要的量
在这个条件下，CPH3910和MCH3914是最好的两个器件。只要并联两个，就可以做到0.6nV/rtHz的输入等效噪声和12pF的输入电容。 或者在谐振读出的情况下，不并联也可以。
4.2 I=10mA, 2mA
这两个就没太多需要强调的地方了，信息都在图里。可以看到即使在2mA还是有数个器件都能做到1nV/rtHz的噪声的。
5. 总结
本文测量了多个高频JFET在工作电流为2mA至Idss的输入噪声供大家参考。
具体选择的时候需要针对电路做取舍，比如有些情况需要谨慎考虑输入电容，有些情况则可以选择输入电容大但噪声小的元件，或者可以通过多个并联来进一步减小噪声。
luxch 发表于 2025-3-31 21:40
一点小疑问：看图测试频率0-100K，属于音频范畴，还没到高频段吧，期待楼主往20M，100M高频段测试。
楼主早就说过“JFET在1/f拐点以上频率的噪声很平坦”，阅读不仔细;P 我在BF998变频电路测试时，发现在高Q LC谐振回路中，不用刻意降Q以满足带宽，因为场管的结电容会消耗一部分能量，并没有出现Q太高导致带宽过窄的问题，但没有定量测试。 lrain 发表于 2025-3-30 16:21
我在BF998变频电路测试时，发现在高Q LC谐振回路中，不用刻意降Q以满足带宽，因为场管的结电容会消耗一部分 ...
还是要先缕一缕概念。
* 关于中波天线放大我一直想要传达的核心思想就是要减少因为损耗产生的Q值下降，因为损耗产生的Q值下降意味加入相应的热噪声。
* 你这里描述现象的正是损耗引起的Q值下降，是低噪声设计应该避免的。
* 但是结电容作为一个电容是不会消耗能量的，消耗能量的一定是某种电阻性的成分。这个电阻从哪来取决于你具体的电路，比如可能你用了偏置电阻，亦或者是BF998输入导纳的实部。至于为什么BF998的输入导纳会有比较小(O(100kOhm))的电阻成分，我没有具体研究，我认为最合理的解释是内置的保护用的Zener diode的零偏电阻，这一般就在几百kOhm的量级，足矣把近千的Q值拉低
这也从另一个角度说明了BF998之类的mosfet真的不适合用在中波（如果想要追求高性能的话），不管是从本文强调等效输入噪声的观点，还是从BF998输入导纳的实部引起的耗散而说。 用JFET就可以规避这两个问题 Edmon 发表于 2025-3-30 19:55
还是要先缕一缕概念。
* 关于中波天线放大我一直想要传达的核心思想就是要减少因为损耗产生的Q值下降， ...
真不一定怪片上ESD导纳，按NXP手册10MHz以下gis不到10uS（我还愿意相信NXP）
在论坛凡事皆有可能。没准原因是以下其一：
1、这颗998有可能包覆在一整坨松香中（显然坛里大部分人心中松香的介质模型等于真空，焊完不清理）
2、这颗998栅极可能被电阻串偏置了。实阻抗来自偏置电阻。
最后就是结栅的漏电流具有指数温度特性，个人印象MOS输入阻抗更可靠些 楼主您做的实验真细致，佩服。
砷化镓考虑一下？
http://www.crystalradio.cn/data/attachment/forum/202408/04/222913tyy1qq1kkknzr45k.jpg MT4S301 发表于 2025-3-30 20:43
真不一定怪片上ESD导纳，按NXP手册10MHz以下gis不到10uS（我还愿意相信NXP）
在论坛凡事皆有可能。 ...
惭愧惭愧，以前玩胆机和直插件时，真的不把松香和助焊剂的残留当回事。
现在做贴片多了，恨不得把板子泡在洗板水里洗涮涮。 MT4S301 发表于 2025-3-30 20:43
真不一定怪片上ESD导纳，按NXP手册10MHz以下gis不到10uS（我还愿意相信NXP）
在论坛凡事皆有可能。 ...
是啊这里万事皆有可能;P
手册里只画到10uS下面能低到多少不知道，但二极管零电压时的动态电阻高的一般也就200kOhm，也就是5uS
5uS听起来小，对应的电阻也才200kOhm，并联到400uH的线圈在1MHz的时候Q怎么都超不过80，这就是我提出这个假设的原因 Edmon 发表于 2025-3-30 23:08
是啊这里万事皆有可能
手册里只画到10uS下面能低到多少不知道，但二极管零电压时的动态电阻高的一 ...
但jfet几乎也呈现“零偏压的二极管”阻抗呀 楼主数电模电功夫不一般，但是241比989好很多吧 MT4S301 发表于 2025-3-30 23:23
但jfet几乎也呈现“零偏压的二极管”阻抗呀
JFET只是像而已，doping很少，少数载流子也很少，所以反向漏电流小，阻抗一般能比普通的二极管高好几个数量级吧？ Edmon 发表于 2025-3-30 23:37
JFET只是像而已，doping很少，少数载流子也很少，所以反向漏电流小，阻抗一般能比普通的二极管高好几个数 ...
JFET的柵-溝道結二極管以前經常被用來在高輸入電阻的直流放大器做輸入保護，看中的就是極低的反偏電流。
技术高手，学习了 Edmon 发表于 2025-3-30 23:37
JFET只是像而已，doping很少，少数载流子也很少，所以反向漏电流小，阻抗一般能比普通的二极管高好几个数 ...
device physics方面我就见少识寡了，不过确实JFET的栅漏电好像都比通用开关管低。开关管又比1pF级通用ESD漏电低...... 本帖最后由 iffi123 于 2025-3-31 20:27 编辑
JFE2140我有1个，收藏品，digi-key买的
我有几点个人看法,想要减小噪声有以下几点
1、降低器件工作温度，从而降低热噪声，在天文探测或者宇宙射线探测器前端都需要用液氦来冷却前端放大器
2、采用更好工艺的器件，老的fet工艺不行，大大的增加了噪声，现在大量超低噪声的LNA均采用砷化镓、E-pHEMT等工艺实现，噪声系数可以做到0.3dB以下
3、放大器供电电源要好，采用低噪声LDO供电，以防止电源上串扰的影响
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