2022年用TI的OPA搭建极微弱电流放大器终稿 .pdf

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1、原创用 TI 的 OPA129 搭建极微弱电流放大器发表于 2008/12/24 14:56:09 用 TI 的 OPA129 搭建极微弱电流放大器微弱电流放大的理论很多； 但在工程实践中制作微弱电流的放大，关键还是在调试的功夫。而调试的功夫离不开对低噪声放大器各项参数的深入理解。下面围绕TI 公司的 OPA129 深入实践这种放大方法。1，设计要求这是一个传感器的前端低噪放，传感器的信号是大约10100pA的电流脉冲信号，信号带宽上限约为1KHz ，要求将此电流信号尽可能不失真的放大出来。2，器件选型根据需求， 我们应该考虑片子的这几个参数，偏置电流极低， 放大器输入电容较小，差分输入电阻极

2、大，电流和电压噪声较低，电源抑制比较高的放大器。根据设计需要选择TI 公司的 OPA129 超低偏置电流差分运算放大器， 其主要指标为：1) ，偏置电流： 这是运算放大器两输入端流进或流出直流电流的平均值。因为我们放大的信号大约是10pA，所以要求偏置电流应该远远小于这个值，而OPA129的偏置电流为 30fA。2) ，放大器的差分输入电阻和输入电容：因为10pA的信号需要很大的反馈电阻做放大，所以应该选择输入差分电阻远远大于反馈电阻；而输入电容的大小会对信号的带宽带来限制，所以应该选择极小的输入电容。OPA129 的这两个参数分别为 10e13 欧姆和 1pF。3) ，电流和电压噪声： 这个

3、指标会影响输出信号的信噪比。这个指标后面会有一个估算，而且有详细的解释。 OPA129 的典型噪声参数， 电压 17nV/sqrt(Hz) ，电流 0.1fA/sqrt(Hz)。4) ，电源抑制比： 因为是微弱信号放大， 对电源要求是显而易见的，一般放大器里 datasheet 给的电源抑制比都是指直流的，但是这个值在频率增大时会降低。OPA129 很贴心的给出了 1Hz到 1MHz的电源抑制比，其典型值在90dB。3，设计估算TI 公司的网站有很多设计工具，也有他们各种器件的spice 模型，设计者在设计的一开始应该对所要设计的问题做一下评估，这些都是非常有用的工具。1) ，噪声估计TI 公

4、司有一个 Noise Calculator工具，是用 Excel 表格做的，里面包含所有的放大器，我们现在就用这个工具来估计一下噪声。噪声估计模型和具体参数设计见图1 所示：反馈电阻 R2选择 200Mohm ，这个是主要的噪声来源。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 4 页 - - - - - - - - - 从计算结果可以看出来， 一直到放大器的 0dB增益处（1MHz ），即使放大器后面我不加低通滤波器，其输出噪声为大约30uVrms ，这个值的含义是简

5、单来说，就是用示波器在输出端测试，热噪声的电平出现30uVrms*3*2=180uVpp的概率为0.1 ，而我们最小的信号10pA ，经过 200Mohm 的电阻，放大后的值为2mV ，这样的底噪声还是可以接受的。其实这样的放大，后面肯定有相应的滤波，如果我把滤波器的带宽设计在1kHz处，那么理论上底噪声还会大大减小。图 1，OPA129 的噪声估计2），补偿电容 C2作用的定性分析先把仿真模型说明一下， 这是电流放大的 spice 电路模型， 看上去很简单， 但是很难调。电流源采用电压控制电流源， 模拟 0.5kHz 的方波；C1电容是等效电容，电路前端寄生的分布电容；C2是补偿电容，负载是

6、一个纯阻性负载，实际环境下，如果负载不能等效为纯阻性负载，而且影响到输出，可以加做一级跟随器。OPA129 片子就是放大器的spice 模型。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 4 页 - - - - - - - - - 下面两个图分别是不加载C2和加载 C2的输出电压对比。 红色表示控制电压源的输入 3 端点电压 5pV/div ，蓝色代表输出1 端点电压 2mV/div，时间坐标为1ms/div 。不加载 C2时，因为 C1的作用，方波中各频谱的信号通过放

7、大器后相位( 主要)和幅度变化不一致，导致输出信号畸变。C2的加载补偿了这种不一致，具体补偿作用机理见相关理论。3），反馈电阻的大小选择反馈电阻的选择是增益和带宽妥协的结果。如果反馈电阻取到1Gohm ，那么信号通过的带宽就窄， 信号畸变的可能性就大， 而且反馈电阻越大， 电容值就越敏感，系统不稳定性会增加，会给调试带来很大麻烦。从仿真中可以看出趋势。反馈电阻选成 1Gohm ，补偿电容在 70fF 时补偿效果最好，而且这个70fF 电容值稍微改变，信号就会有比较大的畸变，系统不稳定。所以选择一个合适的反馈电阻和补偿电容也是需要仔细调试的。具体选择多大的反馈电阻需要视实际信号的时域特性和频域特

8、性而定。4，调试实现1) ，如果电流放大器的各参数利用的很极致，那么这个放大器的可重复性就差。因为微弱的变化都会给电路带来不稳定，传感器的微弱电流放大有时是一门手艺。2) ，漏电流也会给电路带来影响，因为电阻很大， 大到以至于其他本可以认为是绝缘的地方不能认为是绝缘的了，这时候你就要考虑漏电流了， 保护好电流走应该走的地方。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 4 页 - - - - - - - - - 3) ，布电路板时， 要考虑前端信号传输沿路的分布电容，设计者心里得有定性的认识。4) ，当你底噪声调不下去的时候，有可能就是电源不好，很难说清楚具体原因，只能试谁是主要矛盾名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 4 页 - - - - - - - - -