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.doc

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STEP BY STEPJackFrost一直想有個(gè)小裝置能夠測(cè)量0.1Hz10Hz的超低頻噪聲，人越來越懶得動(dòng)手，前幾周才開始慢慢準(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。超低頻噪聲的意義什么的就不說了，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。好聽的說就是強(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)的過程，本著分享和共同學(xué)習(xí)進(jìn)步的網(wǎng)絡(luò)精神發(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)下來記錄下來的筆記內(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一個(gè)22uF的大薄膜電容通過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了解噪聲情況了。由于放大器的噪聲主要是由前級(jí)來決定，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)出來的。下面是這部分電路的實(shí)測(cè)根據(jù)以上測(cè)試可見，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，手頭沒有高精度的零件，也沒有可以準(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)接下來前級(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?cè)肼曋笜?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=0 RS=8K RS=80KAD8676 16.540 136OPA2188 28.3 45.5 116ADA4528 17.4 41.5 168AD8628 75 83 136LT1028 8 274 2700OPA140 37 52 120OPA209 15.3 46 272OPA827 42 55 120OPA627 107 113 156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，這個(gè)熱噪聲水平都超過一些運(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 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，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)較大的斬波開關(guān)噪聲，不過這個(gè)可以通過簡單的低通來大大降低，而正好這個(gè)放大器是專門10Hz超低頻的，所以完全不用考慮斬波開關(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)放通過簡單的估算選擇好了，接下來就是進(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)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，妥妥地沒問題。 不過這個(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)起來充分利用，后面采用OPA2277雙運(yùn)放多出來的一個(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，接下來通過實(shí)戰(zhàn)來驗(yàn)證上面理論研究的準(zhǔn)確性。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218nVpp。2、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，OPA2188從218降到140nVpp，OPA2277從170nVpp降到128nVpp，下降的倍數(shù)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，可見仿真數(shù)據(jù)跟實(shí)測(cè)是非常接近的。 可見采用雙運(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，開路情況下測(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?，所以待測(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，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)間比較長要數(shù)分鐘以上，因此測(cè)試要全部開啟后等待10分鐘以上再觀察測(cè)量。三、實(shí)測(cè) 下面截圖是20150424降低放大器增益后放大器自身的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，下面截圖是實(shí)測(cè)TL431A的超低頻噪聲，測(cè)試結(jié)果還是靠得住的四、大家喜聞樂見的犯罪現(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)作起來比較順利，遇到問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，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題無需多慮。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200nVpp，按照3倍原則有望用來大致評(píng)估700nVpp以上的低內(nèi)阻基準(zhǔn)等的輸出噪音情況，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1/F噪聲問題，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)然了手頭沒有OPA4188，否則還可以試試4個(gè)并聯(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，所幸的是看起來我手頭這顆MUSE BP 220uF/50V的無極性電解漏電情況也不錯(cuò)，輸入直流2.49V的