設(shè)計(jì)制作并驗(yàn)證01Hz10Hz超低頻微弱噪音檢測(cè)放大器講解

1、設(shè)計(jì)制作并驗(yàn)證 0.1Hz10Hz 超低頻微弱噪音檢測(cè)放大器 STEPBY STEPJackFrost一直想有個(gè)小裝置能夠測(cè)量 0.1Hz10Hz 的超低頻噪聲， 人越來(lái)越懶得動(dòng)手， 前幾周才開(kāi)始慢慢準(zhǔn)備斷斷續(xù)續(xù)制作測(cè)試，今天才鼓起勇氣把手頭的資料整 理起來(lái)。超低頻噪聲的意義什么的就不說(shuō)了，但凡玩基準(zhǔn)高精密測(cè)量的人都 了解，這里能夠?qū)懙钠鶎?shí)在太大了，就略去各種前戲相關(guān)知識(shí)了。因?yàn)槿藨?，所以比較多理論的準(zhǔn)備工作，以盡量減少動(dòng)手拿烙鐵的勞累 了 。好聽(tīng)的說(shuō)就是強(qiáng)調(diào)理論指導(dǎo)實(shí)踐， 事半功倍， 嘿嘿。于是有了這篇 STEP BY STEP ，記錄下這段時(shí)間試驗(yàn)的過(guò)程，本著分享和共同學(xué)習(xí)進(jìn)步的網(wǎng)絡(luò) 精

2、神發(fā)到網(wǎng)絡(luò)上，碼字很辛苦，大家喜歡的話就點(diǎn)個(gè)贊多點(diǎn)鼓勵(lì)，我也有動(dòng) 力有理由不再懶下去。文章的篇幅會(huì)很大，斷斷續(xù)續(xù)下來(lái)記錄下來(lái)的筆記內(nèi) 容很多，發(fā)到網(wǎng)上盡量縮減了 首先籠統(tǒng)地講放大器包括 2 個(gè)大部分，一個(gè)是前級(jí)，將微弱信號(hào)（通常是 uVp-p 級(jí)別）放大 1000 或者更高；另一個(gè)是 0.1Hz10Hz 的帶通濾波器。先來(lái)帶通濾波器部分， 這部分直接用的 TI 官方出的 SLAU522 文章中的 帶寬濾波器，作者是 Arthur Kay 。這部分包括包括一個(gè)增益為 10 的二階 0.1Hz HPF 和一個(gè)增益為 10 的 10Hz 四階低通 LPF，總的增益是 100 倍。 并且在輸出部分加了

3、一個(gè) 22uF 的大薄膜電容通過(guò) BNC 連接到示波器 1M 歐 輸入阻抗，以徹底隔離直流，這樣示波器上就可以直接讀取峰峰值來(lái)了解噪聲情況了。由于放大器的噪聲主要是由前級(jí)來(lái)決定，所以這部分可以使用大電阻， 運(yùn)放選擇條件也寬松， 我用的是手頭拆機(jī)的 OPA2277 。電容用的是薄 膜電容，電阻值是用手頭多個(gè) 0805 串聯(lián)出來(lái)的。面是這部分電路的實(shí)測(cè)根據(jù)以上測(cè)試可見(jiàn)， LPF -3DB 點(diǎn)比設(shè)計(jì)值稍偏低了一點(diǎn)， 這主要原因還是電 容容量誤差，手頭沒(méi)有高精度的零件，也沒(méi)有可以準(zhǔn)確測(cè)容量的儀器，只能 保證電阻誤差不大于 1% 。帶通濾波這部分內(nèi)容就不多講了，并不是本篇超 低頻微弱噪音檢測(cè)的重點(diǎn) 接下

4、來(lái)前級(jí)放大部分是要考慮比較多的，做了比較多的工作，放大器的噪聲 水平主要取決于這部分。一、運(yùn)放的選擇：低噪聲的運(yùn)放有一些可供選擇，我選擇了一些典型的型號(hào)，并截下他們 噪聲指標(biāo)以對(duì)比根據(jù)這些型號(hào) DATASHEET 給出的噪聲指標(biāo)，進(jìn)行了挨個(gè)大致的計(jì)算并粗略 地匯總了下。這里主要關(guān)注的是 0.110Hz 頻段，因此主要就是 1/F 閃爍噪 聲，噪聲計(jì)算簡(jiǎn)化后的模型包括 1/F 的運(yùn)放輸入噪聲電壓、運(yùn)放輸入噪聲電 流在信號(hào)源內(nèi)阻上產(chǎn)生的電壓、信號(hào)源內(nèi)阻的熱噪聲，由于反饋電阻用的是 51/51K 因此這部分就可以忽略了。10HZ 總的輸出噪聲單位 uVrms運(yùn)放型號(hào)RS=0RS=8KRS=80KAD

5、867616.540136OPA218828.345.5116ADA452817.441.5168AD86287583136LT102882742700OPA1403752120OPA20915.346272OPA8274255120OPA627107113156由于我們要測(cè)量基準(zhǔn)的噪聲水平需要在輸入級(jí)加上 RC高通，并且 RC 的頻率 點(diǎn)要低于 0.1Hz ，所以這就困難了對(duì)于 100uF 的輸入電容，對(duì)應(yīng)的輸入電阻 要 大 于 16kohm ， 而 這 時(shí) 候 電 阻 的 熱 噪 聲 0.13*(sqrt(16000 ohm)*sqrt(10Hz) = 52nVrms = 343nVp-p

6、，這個(gè)熱噪聲水平都超過(guò)一些運(yùn)放的輸入電壓噪聲水平了，并且不僅如此，還有運(yùn)放噪聲電流流過(guò)這個(gè)電 阻所產(chǎn)生的噪音。因此我們需要將輸入電容 C 盡可能大，而輸入電阻盡可能 小，不過(guò)電容大的不好找體積大，并且漏電也大，會(huì)造成第一級(jí)放大單元直 接飽和，于是這 RC 又成了一對(duì)矛盾。以前玩音響的時(shí)候還有點(diǎn)存貨，包括 22uF 和 10uF 的薄膜電容，這些個(gè)性能很好，漏電小于 1nA 甚至只有幾十 pA ，還有一個(gè)你吃糠的 MUSE BP 無(wú)極性電解電容，這個(gè)漏電情況也可以湊 合。上面這幅是串了 100K 歐電阻測(cè)試 22UF MMK 薄膜電容的情況，漏電大約 是 0.26nA ，而 220uF/50V

7、MUSE BP 電解大約是幾十個(gè) nA 水平，并且電 解電容加上直流偏置后漏電逐漸降低要測(cè)數(shù)小時(shí)才穩(wěn)定。我們知道運(yùn)放噪聲包括輸入噪聲電壓，輸入噪聲電流，并且這經(jīng)常是個(gè) 矛盾，輸入噪聲電壓極低的運(yùn)放往往輸入噪聲電流比較大，比方說(shuō)經(jīng)典的 AD797 ，噪聲電壓僅 50nVpp ，但是噪聲電流達(dá)到 2pA/rtHz ，而通常噪聲 電流小的運(yùn)放往往噪聲電壓在 200nVpp 以上，通常是 250nVpp 。我選擇的 輸入電阻是 8K 到 16K 左右，因此要用作前級(jí)放大就選擇輸入噪聲電壓盡量 小， 而噪聲電流要小于 0.X pA/rtHz 級(jí)別的， 尤其是 fA 級(jí)別的更好， 并且輸 入偏移電壓盡量小

8、，輸入偏置電流也要小，這樣才不至于在放大了 1000 甚 至 10000 倍后運(yùn)放飽和。 這里不得不提到的是零漂移運(yùn)放， 超低頻 1/F 噪聲 幾乎可以忽略，可以直接按照寬帶噪聲計(jì)算，而且超級(jí)精密，輸入電流極小， 唯一不舒服的就是它們的頻譜在 KHZ 以上級(jí)別會(huì)有一個(gè)較大的斬波開(kāi)關(guān)噪 聲，不過(guò)這個(gè)可以通過(guò)簡(jiǎn)單的低通來(lái)大大降低，而正好這個(gè)放大器是專門(mén) 10Hz 超低頻的，所以完全不用考慮斬波開(kāi)關(guān)噪聲了。根據(jù)手頭的零件有 OPA2188 和 AD8629 ，顯然這地方用 OPA2188 了。大致的運(yùn)放通過(guò)簡(jiǎn)單的估算選擇好了，接下來(lái)就是進(jìn)一步針對(duì)OPA2188 進(jìn)行分析了 通常前級(jí)采用一個(gè)運(yùn)放單元進(jìn)

9、行放大，增益是 1000 倍，仿真可以看出在信 號(hào)源內(nèi)阻為 0 的情況下， 10Hz 帶寬下輸出噪聲水平是 31.4uVrms ，大約210uVp-p 的樣子。 （OPA2188 的 SPICE 仿真宏模型內(nèi)容還是比較準(zhǔn)確的，根據(jù)后面實(shí)測(cè)，仿真值跟真實(shí)測(cè)試是非常接近的）這個(gè)電路繼續(xù)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，增益很高，相位余量超過(guò) 70 度前級(jí)穩(wěn)定性仿真 .gif （96.66 KB, 下載次數(shù) : 1）下載附件 保存到相冊(cè)2015-4-25 12:11 上傳穩(wěn)定，妥妥地沒(méi)問(wèn)題。不過(guò)這個(gè)還不夠好， 通常低噪聲電流的運(yùn)放，輸入噪聲電壓都在 200nV以上，不過(guò)還有個(gè)辦法可以降低這個(gè)輸入電壓噪音，就是采用運(yùn)放

10、并聯(lián)大法，呵呵。理論上輸入噪聲電壓可以降低為運(yùn)放單元個(gè)數(shù)的平方根倍，代價(jià)是噪聲電流也會(huì)相應(yīng)增大，消耗更多的單元和電力。繼續(xù)進(jìn)行采用 2 個(gè)運(yùn)放單元同相放大器并聯(lián)結(jié)構(gòu)輸入級(jí)的仿真，電路如下：正好是 OPA2188 雙運(yùn)放，兩個(gè)并聯(lián)起來(lái)充分利用，后面采用 OPA2277 雙運(yùn) 放多出來(lái)的一個(gè)單元接成一個(gè)反相放大加法器。這樣總體的增益變成了GAIN = 1000 *2 *10 = 20,000倍，輸出噪聲為 443uVrms ，折合 2.92mVpp再繼續(xù)推算 等效輸入噪聲 2920uVpp / 20,000 倍 = 146nVpp 理論上的東西討論夠多了，接下來(lái)通過(guò)實(shí)戰(zhàn)來(lái)驗(yàn)證上面理論研究的準(zhǔn)確性。

11、 這里我想對(duì)比一下 OPA2188 零漂移運(yùn)放和 OPA2277 經(jīng)典的低噪聲精密運(yùn) 放，所 以前級(jí) 分別 用 OPA2188 和 OPA2277 替換進(jìn) 行了對(duì) 比上面的實(shí)測(cè)截圖都是在運(yùn)放正相輸入端直接接地的情況，也就是這里僅考慮放大器等效輸入噪聲電壓的情況，噪聲電流完全可以忽略，根據(jù)上圖可以分 析得出：1 、獨(dú)立運(yùn)放輸入噪聲電壓項(xiàng)目上 OPA2277 的 170nVpp 還是要稍稍強(qiáng)于OPA2188 的 218nVppOPA2188 從 2182、采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)后相應(yīng)的輸入噪聲電壓的確相應(yīng)的下降了，降到 140nVpp ，OPA2277 從 170nVpp 降到 128nVpp ，下降的倍數(shù)

12、是接近 0.707 的理論倍的，并且 OPA2188 相應(yīng)的下降倍數(shù)更多一些，這個(gè)我估計(jì) 跟它斬波穩(wěn)零結(jié)構(gòu)有關(guān)，當(dāng)二個(gè)單元是同步斬波開(kāi)關(guān)的時(shí)候，通常會(huì)有更好 的效果。3、對(duì)比之前用 OPA2188 SPICE 宏模型仿真得出的噪聲情況，可見(jiàn)仿真數(shù)據(jù) 跟實(shí)測(cè)是非常接近的?？梢?jiàn)采用雙運(yùn)放單元并聯(lián)放大結(jié)構(gòu)能夠有效的降低放大器的等效輸入噪聲電壓，接下來(lái)繼續(xù)驗(yàn)證存在輸入噪聲電流及輸入電阻的情況我暫時(shí)用的輸入電阻是 15.4K 歐，電容采用的是 220uF 的 BP 電解，同時(shí)我 也是為了驗(yàn)證用電解電容的可行性。根據(jù)上面的實(shí)測(cè)圖可見(jiàn)，開(kāi)路情況下測(cè)試是失敗的，原因就是對(duì)于這樣微弱 信號(hào)放大器， 15K 的輸

13、入阻抗，外接干擾影響很大，屏蔽工作一定要做 好。 制作的放大器實(shí)測(cè)是基本符合設(shè)計(jì)仿真模型的。20150424 繼續(xù)一、將第二級(jí)放大器反饋電阻從 15K 改成了 1.5K ，第二級(jí)增益也從原先 20 倍下降到 2 倍，這樣總體增益 =1000*2*10*10=0.2M 倍。另一方面為了對(duì) 運(yùn)放進(jìn)行保護(hù)，在輸入電阻上并聯(lián)了 2 個(gè)背靠背的 1N4148 來(lái)鉗位，防止運(yùn) 放輸入電壓太高而損害，因?yàn)檩斎腚娊怆娙莺艽螅源郎y(cè)裝置通電后會(huì)造 成沖擊，容易損壞運(yùn)放?？紤]到這 2 個(gè) 1N4148 也會(huì)有噪聲，也許會(huì)對(duì)增加 放大器的噪聲水平。二、再實(shí)驗(yàn) 220uF+15.4k 輸入回路， 測(cè)試 9V 電池，

14、由于電解電容漏電較大， 大約是 100nA 不到，第一級(jí) OPA2188 的 2 個(gè)輸出端直流偏移大約是 1V 不到，這樣經(jīng)過(guò)第二級(jí)求和后不到2V，仍舊有足夠大的裕量。另外 BP 電解加電后漏電是逐漸減小直至穩(wěn)定，這段時(shí)間比較長(zhǎng)要數(shù)分鐘以上，因此測(cè)試要 全部開(kāi)啟后等待 10 分鐘以上再觀察測(cè)量、實(shí)測(cè)面截圖是 20150424降低放大器增益后放大器自身的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，面截圖是實(shí)測(cè) TL431A 的超低頻噪聲，測(cè)試結(jié)果還是靠得住的四、大家喜聞樂(lè)見(jiàn)的犯罪現(xiàn)場(chǎng)照片四、作案總結(jié)陳詞1、在制作前做了大量前期的理論準(zhǔn)備以及仿真等，因此實(shí)作起來(lái)比較順利，遇到問(wèn)題很快就能找到原因。別小看洞洞板，洞洞板發(fā)揮的空間很大

15、，別看 布線又亂又丑， 但是在理論的指導(dǎo)下嚴(yán)格一點(diǎn)接地， 實(shí)際的電氣性能很不錯(cuò)， 絕對(duì)不會(huì)比打個(gè)雙層板差。尤其這種極低頻放大器，洞洞板分布電容大的問(wèn) 題無(wú)需多慮。2、由于手頭元器件及測(cè)量條件的局限性， 0.1Hz 的二階高通和 10Hz 的四階 低通濾波器，并不是很準(zhǔn)確，尤其是 10Hz 低通， -3DB 點(diǎn)是偏低的，大致是 9.4Hz ，導(dǎo)致帶寬內(nèi)增益稍有降低，因此實(shí)測(cè)出來(lái)的噪聲水平也稍稍偏小的， 姑且認(rèn)為真實(shí)值應(yīng)該是折算后的值再乘以 1.1 左右吧。3、根據(jù)實(shí)測(cè)情況，制作的放大器本底噪聲不超過(guò) 200nVpp ，按照 3 倍原則 有望用來(lái)大致評(píng)估 700nVpp 以上的低內(nèi)阻基準(zhǔn)等的輸出噪

16、音情況，比如 LT6655 、LTZ1000 等，具體以后再接個(gè) LT6655 實(shí)地測(cè)試一下。 （因?yàn)閷?duì)于低 內(nèi)阻信號(hào)源，放大器本身 15K 的輸入電阻噪音也會(huì)被旁路忽略，一般基準(zhǔn)內(nèi) 阻都小于 100 歐，因此可以不用太在意 ） 4、考慮到價(jià)格低廉、容易找到、超高精度、低噪聲等等綜合因素， OPA2188 用在第一級(jí)并聯(lián)放大電路上還是非常不錯(cuò)的，首先零漂移運(yùn)放幾乎無(wú) 1/F 噪 聲問(wèn)題，其次偏置電流小失調(diào)更是極小，輸出直流偏移不會(huì)導(dǎo)致運(yùn)放飽和 （采 用 OPA2277 算上輸入電容漏電這些就飽和了 ） ，并聯(lián)放大電路取得了理想的 效果，當(dāng)然了手頭沒(méi)有 OPA4188 ，否則還可以試試 4 個(gè)并

17、聯(lián)。5、別小看月餅盒，弄好了之后屏蔽效果也不錯(cuò)，我只是接了放大器信號(hào)輸出 BNC，由于月餅盒空間夠大，因此可以將待測(cè)的基準(zhǔn)源也放到月餅盒內(nèi)。當(dāng)然了月餅盒必須單點(diǎn)可靠接地，由于是連接到 BNC 的地的，因此跟示波器的 地線也就是市電的地線是相通的，這樣才能最大程度的降低外界的干擾。6、關(guān)于放大器的輸入電容，輸入電容當(dāng)然越大越好，這樣輸入電阻就可以用 小阻值的，但是受到漏電等等的局限性影響選擇不多，本來(lái)我還準(zhǔn)備了 6 顆 22uF/63 的大體積薄膜電容準(zhǔn)備并聯(lián)的，所幸的是看起來(lái)我手頭這顆 MUSE BP 220uF/50V 的無(wú)極性電解漏電情況也不錯(cuò)， 輸入直流 2.49V 的情況下， 經(jīng) 過(guò) OPA