用TI的OPA129搭建極微弱電流放大器

用TI的OPA129搭建極微弱電流放大器微弱電流放大的理論很多；但在工程實(shí)踐中制作微弱電流的放大，關(guān)鍵還是在調(diào)試的功夫。而調(diào)試的功夫離不開對低噪聲放大器各項參數(shù)的深入理解。下面圍繞TI公司的OPA129深入實(shí)踐這種放大方法。1，設(shè)計要求這是一個傳感器的前端低噪放，傳感器的信號是大約10?100pA的電流脈沖信號，信號帶寬上限約為1KHz,要求將此電流信號盡可能不失真的放大出來。器件選型根據(jù)需求，我們應(yīng)該考慮片子的這幾個參數(shù)，偏置電流極低，放大器輸入電容較小，差分輸入電阻極大，電流和電壓噪聲較低，電源抑制比較高的放大器。根據(jù)設(shè)計需要選擇TI公司的OPA129超低偏置電流差分運(yùn)算放大器，其主要指標(biāo)為：,偏置電流：這是運(yùn)算放大器兩輸入端流進(jìn)或流出直流電流的平均值。因為我們放大的信號大約是10pA，所以要求偏置電流應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于這個值，而OPA129的偏置電流為土30fA。,放大器的差分輸入電阻和輸入電容：因為10pA的信號需要很大的反饋電阻做放大，所以應(yīng)該選擇輸入差分電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于反饋電阻；而輸入電容的大小會對信號的帶寬帶來限制，所以應(yīng)該選擇極小的輸入電容。OPA129的這兩個參數(shù)分別為10e13歐姆和1pF。,電流和電壓噪聲：這個指標(biāo)會影響輸出信號的信噪比。這個指標(biāo)后面會有一個估算，而且有詳細(xì)的解釋。OPA129的典型噪聲參數(shù)，電壓17nV/sqrt(Hz)，電流0.1fA/sqrt(Hz)。,電源抑制比：因為是微弱信號放大，對電源要求是顯而易見的，一般放大器里datasheet給的電源抑制比都是指直流的，但是這個值在頻率增大時會降低。OPA129很貼心的給出了1Hz至到1MHz的電源抑制比，其典型值在90dB。設(shè)計估算TI公司的網(wǎng)站有很多設(shè)計工具，也有他們各種器件的spice模型，設(shè)計者在設(shè)計的一開始應(yīng)該對所要設(shè)計的問題做一下評估，這些都是非常有用的工具。

1）,噪聲估計TI公司有一個NoiseCalculator工具，是用Excel表格做的，里面包含所有的放大器，我們現(xiàn)在就用這個工具來估計一下噪聲。噪聲估計模型和具體參數(shù)設(shè)計見圖1所示：反饋電阻R2選擇200Mohm，這個是主要的噪聲來源。從計算結(jié)果可以看出來，一直到放大器的OdB增益處（1MHz）,即使放大器后面我不加低通濾波器，其輸出噪聲為大約30uVrms,這個值的含義是簡單來說，就是用示波器在輸出端測試，熱噪聲的電平出現(xiàn)30uVrms*3*2=180uVpp的概率為0.1%，而我們最小的信號10pA，經(jīng)過200Mohm的電阻，放大后的值為2mV,這樣的底噪聲還是可以接受的。其實(shí)這樣的放大，后面肯定有相應(yīng)的濾波，如果我把濾波器的帶寬設(shè)計在1kHz處，那么理論上底噪聲還會大大減小。2 =—3OpAmpopal23UnityGain斗Bandwidth5Temperature'C251.000.0006C2Hamplifier.7

gu10111213142 =—3OpAmpopal23UnityGain斗Bandwidth5Temperature'C251.000.0006C2Hamplifier.7

gu1011121314■1516i7■181J42.51InputZeroR11.591.55FeedbackCkt.t3=□Liy.riyri.91Interceptuu/AolU1K仁260e(n)@-1Hz■15<n^@HF~' iDiodeEquivalentCircuit-^=-K2=K3=0.01ArbitraryLowEnd17.331NoiseCornerll-InstrumentsUser□pampF：2,C2Opamp10AmpC(in^3PF20FrequencyBandiOutputNoise21F：1=2.000.000.000QnV(RMS)22R2=10.000.000QZone1713.5823Cl=1.00pFZone2fC->fa571.4124C2=10.00PFZone3fa->f21S5.1625Zone4f2->f319.708.3126Zone5f3->end0.2727I應(yīng)11S28R(F)20.279.0529-TotalNoiseOutp28.292.20 0.000879646e(n)HFprojectedto1Hz圖1,OPA129的噪聲估計2）,補(bǔ)償電容C2作用的定性分析先把仿真模型說明一下，這是電流放大的spice電路模型，看上去很簡單，但是很難調(diào)。電流源采用電壓控制電流源，模擬0.5kHz的方波；C1電容是等效電容，電路前端寄生的分布電容；C2是補(bǔ)償電容，負(fù)載是一個純阻性負(fù)載，實(shí)際環(huán)境下，如果負(fù)載不能等效為純阻性負(fù)載，而且影響到輸出，可以加做一級跟隨器。OPA129片子就是放大器的spice模型。下面兩個圖分別是不加載C2和加載C2的輸出電壓對比。紅色表示控制電壓源的輸入3端點(diǎn)電壓5pV/div,藍(lán)色代表輸出1端點(diǎn)電壓2mV/div,時間坐標(biāo)為1ms/div。不加載C2時，因為C1的作用，方波中各頻譜的信號通過放大器后相位（主要）和幅度變化不一致，導(dǎo)致輸出信號畸變。C2的加載補(bǔ)償了這種不一致，具體補(bǔ)償作用機(jī)理見相關(guān)理論。,反饋電阻的大小選擇反饋電阻的選擇是增益和帶寬妥協(xié)的結(jié)果。如果反饋電阻取到lGohm,那么信號通過的帶寬就窄，信號畸變的可能性就大，而且反饋電阻越大，電容值就越敏感，系統(tǒng)不穩(wěn)定性會增加，會給調(diào)試帶來很大麻煩。從仿真中可以看出趨勢。反饋電阻選成lGohm，補(bǔ)償電容在70fF時補(bǔ)償效果最好，而且這個70fF電容值稍微改變，信號就會有比較大的畸變，系統(tǒng)不穩(wěn)定。所以選擇一個合適的反饋電阻和補(bǔ)償電容也是需要仔細(xì)調(diào)試的。具體選擇多大的反饋電阻需要視實(shí)際信號的時域特性和頻域特性而定。調(diào)試實(shí)現(xiàn),如果電流放大器的各參數(shù)利用的很極致，那么這個放大器的可重復(fù)性就差。因為微弱的變化都會給電路帶來不穩(wěn)定，傳感器的微弱電流放大有時是一門手藝。,漏電流也會給電路帶來影響，因為電阻很大，大到以至于其他本可以認(rèn)為是絕緣的地方