仿真了一个复合低噪放大器，想多方听取意见。

tianda_spl

偶然机会，在老大某文章中下载了一个Linear的应用文章AN124，是一个测量噪声的系统。我想做出来其中的前置放大器部分，用Proteus做了仿真，还算可以。最近发了帖子问低噪声管、特氟龙Standoff等，就是想做这个实物。但是仔细想想，但是感觉自己水平差，另外成本和电路难度比较大，闭门造车不好，不想太冒险，我想听听大家的意见。附件里包括AN124文章和我的仿真电路，用Proteus软件打开。另外电路图也放在帖子里，供没有Proteus的网友参照。

局部放大


以下仅发表个人理解，不正确的地方请各位指教。
①该电路取材于Linear公司的应用笔记AN124（见附件），我是从老大的某篇文章中发现AN124的。
②电路原理大致是：粗线框起来的电路等效为一个运放（IN+、IN-和OUT三点）。用低噪声配对JFET构成第一级，用周边的电阻形成每管10mA的供电电流。但是JFET管匹配性能差（相对比配对BJT而言），所以把IN+和IN-的差异用U1取出来放大，通过控制R7的基极电流进而控制集电极电流，达到调整R4一侧电流和R2一侧电流基本一致的目的，这等价为调整输入失调电压。C2、C3、R8、R9起到滤波效果，我认为U1应该找偏置电流和电流噪声密度都小的运放。注意，调整R5和R6来进一步调节输入失调，这个是我想象的。这种复合电路是在电流噪声密度非常小的基础上保持电压噪声密度小。如果仅要求电压噪声密度特别小，可以参考ADI MAT03手册或者NSC LM394手册里的电路。
③因为原文中的超低噪声管LSK389无法购买到，所以我只有更换其他型号。配对JFET管2N5564的噪声性能比LSK389差，所以系统整体噪声将超过原文电路，我用2个管并联以希望降低噪声。
④该电路乃至原文电路有一些缺点。CMRR可能比较糟糕，因为不是恒流源供电，而是几个电阻形成供电回路，即使电阻相当稳定，但是电源的波动将引起问题。因此需要一个充分稳定和低噪声的供电系统，AN124的笔记里有参考电路。另外一个缺点就是需要50mA电流（JFET管只有电流大才能降低噪声），这样电阻和管子发热会比较大，最终导致JFET管子和运放性能下降。因为这种电路必须找个屏蔽盒装起来，散热会成问题吗？器件之间发热的影响会如何呢？
⑤用线绕电阻是希望降低噪声，同时温度特性好些。每管按10mA设计，自己计算电阻功耗。当然用金属膜电阻也没问题，原文就是1%金属膜电阻。R10、R11、R12必须用线绕，这三个我打算购买新的线绕电阻。
⑥AN124原文是个测量噪声的系统，原文的电容是个超级天价，用聚丙烯的话我咨询了一下价格，也是个超级价格。所以退而求其次，我只做放大器，并且我把电路固定为同相放大，其他用途是不行的。
⑦这个电路可能布板子需要相当高妙的知识，如何避免热电势、如何给pA级运放加输入保护防止板子漏电、如何布地线、如何布局、如何屏蔽等等。就这些方面，我想听听大家意见，根据条件看看能否做出实物。我想征询的其他意见是：
一：并用2个以上JFET管能否降低电压噪声，是否电流噪声上升；
二：用几个管子并联比较好，因为多了电流上升，导致发热严重，也就是说多大电流不引发过热；
三：如果做板子，布线注意什么；
四：第二级运放U2是否影响整体噪声性能；
五：哪种配对JFET比2N5564好，并且能买到。
⑧也许可以找到现成的运放达到相同的性能，而不必大费周折。但是我的目的是学习为主，挑战一下而已。

六道轮回

学习了。。

a-fly

U1用LTC1151可能可以得到更低失调，及其温漂。
带宽一般不需要很高，可能在大部分情况下100Hz足够了。若不够，可以采用多级放大实现。

longshort

场效应管的噪声参数并非完全按照手册数据而越低越好，通常在输入阻抗的一个范围内，噪声才是最低的。所以输入阻抗是一个非常重要的问题，特别在这种超低噪声应用中。

没有特氟龙的standoff，那就考虑弱电位防护技术，也是有效的，各类低噪声器件手册中多数都有提及。

tianda_spl

引用第2楼a-fly于2011-03-08 19:29发表的 :
U1用LTC1151可能可以得到更低失调，及其温漂。
带宽一般不需要很高，可能在大部分情况下100Hz足够了。若不够，可以采用多级放大实现。

谢谢关注，并给予意见，我讲认真考虑。
你说的是LTC1051吧，我可以试试。不过他是单电源运放，当然也能双电源用，但是压差不大于16V。
其实测噪声确实不需要多大带宽，100Hz足够。
我是想着，万一能做出实物的话，把各方面性能调得好一些，将有助于更加通用的场合。

tianda_spl

引用第3楼longshort于2011-03-08 19:36发表的 :
场效应管的噪声参数并非完全按照手册数据而越低越好，通常在输入阻抗的一个范围内，噪声才是最低的。所以输入阻抗是一个非常重要的问题，特别在这种超低噪声应用中。

没有特氟龙的standoff，那就考虑弱电位防护技术，也是有效的，各类低噪声器件手册中多数都有提及。

场效应管输入阻抗与噪声，确实我没有考虑过。谢谢提醒，我再查查一些资料学习一下。

longshort

LTC1151的0.1Hz~10Hz噪声嫌高了些，在自稳零器件中属噪声低的，但在其它低漂移器件中却不算怎么样。
OPA627、OPA637在上述频段中的典型值是0.6uVp-p，OPA27、OPA37则是90nVp-p，而其失调温漂都在零点几微伏每度的水平。这些器件也是很好买的。

tianda_spl

引用第6楼longshort于2011-03-08 19:50发表的 :
LTC1151的0.1Hz~10Hz噪声嫌高了些，在自稳零器件中属噪声低的，但在其它低漂移器件中却不算怎么样。
OPA627、OPA637在上述频段中的典型值是0.6uVp-p，OPA27、OPA37则是90nVp-p，而其失调温漂都在零点几微伏每度的水平。这些器件也是很好买的。

我是这么理解的，不知道对不对，仅供参考。
1。如果单从噪声和运放本身失调来衡量，那么LTC1151和OPA627连OPA27都比不上。但是这个电路里的U1其实是个开环系统，我理解U1的失调不见得重要。
2。U1既然是调节JFET的失调的，那么他的速度就要快一些才好，才能具有及时的跟踪特性，也就是需要U1最好是个宽带或则压摆率高的运放。当然速度再快，恐怕也快不过JFET管。
3。由于R8和R9较大，我觉得找个偏置电流、失调电流、电流噪声小的运放更合适。
我不知道这么想是不是合适。

tianda_spl

我仿真的时候，在10000倍放大的时候，输出端失调可以调节到10mV以下，甚至1mV以下。
不过这仅是仿真的结论，做实物的话，可能会有较大出入，难度可能要加大。

longshort

10000倍放大，就是80dB，对于10mV输出，输入端就有1uV，如果实际装配起来调试的话，即使你把失调调到这个值附近，表针也会不断地地抖动——如果你使用指针表的话，而数字表这会儿根本看不清值。这些抖动就是1/f噪声的贡献，过去我曾经试过，那时手头根本没有低噪声器件，这种影响大极了，根本就不知道零值应该是多少。

a-fly

引用第6楼longshort于2011-03-08  19:50发表的  :
LTC1151的0.1Hz~10Hz噪声嫌高了些，在自稳零器件中属噪声低的，但在其它低漂移器件中却不算怎么样。
OPA627、OPA637在上述频段中的典型值是0.6uVp-p，OPA27、OPA37则是90nVp-p，而其失调温漂都在零点几微伏每度的水平。这些器件也是很好买的。

在楼主的电路中使用LTC1151，是不会将LTC1151的噪声引入的。他只负责“稳零”，消除失调电压。
楼主现在选用的2N5566对管的失调电压达到10mV的水平，温漂也是10～20uV/K级的，根本不适合做高精度放大，所以有了U1的存在。但是现在的U1的失调还是相当大的，仍旧不适合用来做精密放大。
个人认为U1的选型原则：失调电压足够小（uV级）、失调电压的温漂足够小（nV级）、偏置电流和失调电流足够小（pA级）。噪声不用太在意（因为它的噪声是会被衰减的）。

其实如果按楼主目前的电路，可能与LT1007的效果差得不会太多。而且噪声特性可能不如LT1007。

a-fly

引用第4楼tianda_spl于2011-03-08  19:43发表的  :

谢谢关注，并给予意见，我讲认真考虑。
你说的是LTC1051吧，我可以试试。不过他是单电源运放，当然也能双电源用，但是压差不大于16V。
其实测噪声确实不需要多大带宽，100Hz足够。
我是想着，万一能做出实物的话，把各方面性能调得好一些，将有助于更加通用的场合。
.......

我说的是LTC1151，36V电源电压的，其他基本同LTC1051。

tianda_spl

引用第10楼a-fly于2011-03-08 21:49发表的 :



在楼主的电路中使用LTC1151，是不会将LTC1151的噪声引入的。他只负责“稳零”，消除失调电压。
楼主现在选用的2N5566对管的失调电压达到10mV的水平，温漂也是10～20uV/K级的，根本不适合做高精度放大，所以有了U1的存在。但是现在的U1的失调还是相当大的，仍旧不适合用来做精密放大。
.......

是有个LTC1151的器件，因为我只用过LTC1051，我搞混了。
对于U1的选择，你说的失调电压和电流应该小一点，这个我现在能理解了，需要在结合仿真或者测试仔细研究一下。
关于这个放大器的电压噪声，确实不如LT1007，AN124原文电路也只有0.16uVpp。不过因为外围电路那个输入电阻阻值降低不下来，必须电流噪声密度小，否则在总噪声中电流噪声将占据主要部分。像LT1007，OP27，LT1028，AD797这些虽然电压噪声很低，但电流密度在pA量级。而FET输入级运放如OPA627电流噪声密度只有数十fA水平，但是电压噪声高。这是JFET和BJT管子固有的特点，总是矛盾的。
本身2N5564噪声也不很出色，因为其他的实在没地方买。JFET要降低噪声，只能加大结的尺寸和工作电流。我查了一下OPA627，静态电流大约7mA，就按2管算，平均3mA。典型10Hz处电压噪声密度15nV，2N5564是12nV，手册有个图，在10mA 漏极电流下，大约8nV，我并用2管，应该降低1.4倍。（我不知道JFET并用是否有效，但是BJT并用相当于降低基极电阻）。

tianda_spl

引用第9楼longshort于2011-03-08 20:30发表的 :
10000倍放大，就是80dB，对于10mV输出，输入端就有1uV，如果实际装配起来调试的话，即使你把失调调到这个值附近，表针也会不断地地抖动——如果你使用指针表的话，而数字表这会儿根本看不清值。这些抖动就是1/f噪声的贡献，过去我曾经试过，那时手头根本没有低噪声器件，这种影响大极了，根本就不知道零值应该是多少。

是的吧。数字表反应慢，跟不上那些噪声的变化。即使做实物，这个调试也是很困难的。

a-fly

电流噪声：
在楼主图中，输入电阻15k，如果是LT1007，它的输入噪声电流密度10Hz时为1.5pA/sptHz，折算成噪声电压Vpp值约为0.4uV,rms值约为0.07uV。

longshort

研究了下那个图，有点意思。

整个回路的接法，使输入失调能够调整到U1的失调水平，并且失调温漂也应该与U1的性能相当，大约零点几个微伏每度，这时候的输出直流漂移大约几个毫伏。
不过很奇怪，输入端串接了几个并联的75uF电容器，下极点频率大约0.05Hz，此频率以下到DC段就无法测量了。
输入电阻大约11K多点，刚刚落入场管的低噪声阻抗范围。

0.05Hz相当于20S的周期，这个周期与电路本身的漂移速度完全可能是相当的。如何来区别这种自身漂移和信号源的噪声呢？

tianda_spl

引用第15楼longshort于2011-03-09 08:21发表的 :
研究了下那个图，有点意思。

整个回路的接法，使输入失调能够调整到U1的失调水平，并且失调温漂也应该与U1的性能相当，大约零点几个微伏每度，这时候的输出直流漂移大约几个毫伏。
不过很奇怪，输入端串接了几个并联的75uF电容器，下极点频率大约0.05Hz，此频率以下到DC段就无法测量了。
输入电阻大约11K多点，刚刚落入场管的低噪声阻抗范围。
.......

这个电路取材于LT的AN124，原文是个测量噪声的系统，用于测量基准的噪声或者其他电路噪声（非运放芯片）。噪声按功率相加，如果一个自噪声是1uVpp的测量系统，可以测量4uVpp以上的其他电路噪声，原文电路本底噪声实测最大为0.16uVpp，那么0.5uVpp的噪声就可以被侦测出来，这样即使LTZ1000（大约2uVpp以下）的电路噪声也可以测量。
现有成品运放是无法满足要求的，电压噪声小的电流噪声大，电流噪声小的电压噪声大，再加上源电阻热噪声，结果总噪声至少也得0.6-0.8uVpp水平，那样LTZ1000噪声就无法测量了。像EM有些纳伏放大器模块，虽然有几个nV以下的电压噪声水平，但是电流噪声大，不能接超过几百欧的源阻抗，否则热和电流噪声远超电压噪声。
我那个电路的75uF电容和电阻就是形成一个高通，如果测量10V基准噪声，用于截断直流。我本来申请了2个75uF WIMA DC LINK聚丙烯电容，不幸被USPS寄到大海里了。铝电解和钽点解漏电很大（至少十几uA以上），有漏电就有噪声，所以最好就聚丙烯类的。但是考虑到价格很昂贵，我只能先做这个放大器。其实我觉得做出来的话，在别的地方也会有用的，不一定非得测量噪声，即使没有更多用途，我觉得能做出来的话，也是一种收获。
这个电路的关键是找个低电压噪声配对JFET管。老大推荐的IF3602固然好，没有渠道买。LSK389，至今连这家公司网址还没找到。所以，我只能放个2N5564先做个样子，仿真一下试试。

tianda_spl

引用第16楼mzsrz于2011-03-09 09:51发表的 :
带宽只有100HZ没多大用处。再说PCB布线很难达到要求，地电流问题和电源引线串入的工频噪声就够你头痛的。
要是只想拿来测量噪声的话，建议还是直接上吉时利交流台表。如果拿来用作其它，那就另当别论。

关于500Hz带宽，前提是80dB增益下的数值。如果是60dB，则带宽将增加10倍，类似于运放增益带宽积。因为LT1097不是宽带运放，换上OP27E、OPA627就会继续改善一些。
关于布线，确实是个问题，所以我征求大家建议啊。
关于用途，做得再好也比不过那些仪器公司的，我觉得做出来是种收获就满意了。

大胡子

关于布线只能先画一个PCB，再大家一起看看，原则大家都知道。