低噪声放大电路问题，求助

chatatwill

我现在需要设计一个跟随放大器，有如下要求：
    1.只放大直流信号
    2.输入电压范围-10V～+10V
    3.输入10V～300V电压时，电路自保护
    4.跟随后的噪声RMS在28nV左右
仿真电路如图所示。R1，D2,D1是保护电路，R1主要起限流作用，50K不能再小了。
实际测试时，我把VIN接地，用AGILENT 34401A六位半万用表测试VF1的直流电压，读数跳动幅度很大，瞬时跳动在几十个微伏的峰峰值。
请问，我应该怎么处理达到上面的要求，滤波？换运放？我已经被这个难题折磨的半死不活了，请高手赐教，非常感激。




这个帖子的电路太抽象化了，可能一下子不能全部表达我的意思，我心开辟了一个帖子，专门说明我的思路。
https://bbs.38hot.net/read.php?tid=24186&ds=1

shichen717

测量一下输入的地信号。
将OPA27正输入端直接接地试一下。

ruinedone

4.跟随后的噪声RMS在28nV左右
=================
这是个极高的要求。需要考虑的问题很多，接线屏蔽、热电势、运放的供电等等。滤波电路也是必须的。
另外你的信号源是什么，内阻是多少。

https://bbs.38hot.net/read.php?tid=270

qingfongh

不懂帮顶一下

qbqian55

首先去掉D1 D2 还有读数跳动问题吗？过压保护可以使用10V的稳压管对地吸收。

a-fly

虽然不知道为什么有几十微伏的跳动，但这个电路的输出噪声不可能小于100nVrms。
虽然OPA27的电压噪声密度很小，但其1.4pA/Hz的电流噪声决定了输入端不能接那么大的电阻。
这个电路结构若想要得到你的设计目标，运放选用OPA140可能是极少的可以实现的选择。

fm007

顶一个！

hfs4991

支持4楼的说法.保护电路另想办法

淘仪器

学习学习。

chatatwill

阁下说的非常对，这个电路的仿真噪声就是100nVrms，但是我用OPA140仿真结果反倒没有OPA27效果好，不知道为什么

chatatwill

输入信号是-10V～+10V，这样可以用稳压管保护吗？

老哥

在50K接运放那端对地接个10u的电容，opa27要挑Input Bias Current接近0的。

tianda_spl

1. 28nV这个指标是有效值噪声，还是峰峰值噪声？有效值的话，应该可以做到，
2. 参考一下LT1028，40nV峰峰值，AD797更小一点，你要求28nV，几乎很难做到。
3. 你只考虑了电压噪声，没有考虑运放的电流噪声和限流电阻产生的噪音。很多网友，往往忽略电流噪声，这个是不正确的。
4. 纯金属线绕的电阻热噪声有效值，是根号下4KTBR，K波尔兹曼常数，T绝对温度，B系统带宽，R电阻值。
噪声有效值乘以6.6换算为峰峰值，LZ算算50K电阻的峰峰值噪声是多少，带宽B取10Hz。
5. 电阻除了热噪声，还有接触噪声。LZ可以用34401或者其他表测量几个同型号10M或者更大电阻，
可以看到有的电阻读数波动大，有的波动小，这个就是电阻的其他噪声。电阻热噪声是没有办法消除的，
选用纯线绕电阻可以消除其他噪声。
6. OP27是双极性运放，双极性运放的特点是电压噪声小，电流噪声大，JFET或者CMOS相反。
当电流噪声流过你图里的限流电阻时产生附加噪声，将远超过OP27的电压噪声。有很多音响爱好者使用AD797，
结果发现噪声特别大，是因为没有考虑电流噪声。运放的电流噪声乘以限流电阻转变为电压噪声。电流噪声的量级，
经验的估计等于，根号下IbQ，Ib是这个运放的偏置电流，Q是电子电荷量。
7.OPA140是个好运放，电压噪声220nV与OP277持平，但是电流噪声小。参考一下OPA227，OPA140的手册，
给出了运放整个电路的噪声计算公式。有一个仿真软件，TI-TINA，可以仿真噪声，徒手计算的话，比较费时。
8.LT的AN124或者我给的附件的电路，也才40nV噪声，LZ要求28nV，指标太高。即使用IRF3602也做不到，
得需要很多IRF3602管子并联。


网络不好，今天传不了附件，LZ按照上图自己到LT网站找。
9. 加入保护电路后，想要达到低噪声更加困难，因为保护电路产生额外噪声，得找漏电非常低的管子或者电路结果，
用限流电阻这种方案不可行。
10. 采用什么运放，得视应用，也就是你的前级电路的输出阻抗有多大，如果在几百欧姆以下，可以考虑使用双极性运放。
如果是几K以上，必须用JFET或者自己搭电路。
11.可以考虑使用多个JFET运放并联的方法，比如16个OPA140或者4个OPA4227，等效噪声降低4倍，
参考一下LTC1051手册里的电路。当然并联的方法可能会产生点放大量。但是并联将噪声电流噪声加大4倍，并且运放不允许
直接并联，采用电阻隔离均衡的话，电阻也要产生噪声。

总之28nV是个挑战哦。

以上只供参考，本人未实验验证，仅凭想到什么写下而已。

忘了说一点，做电路首先把原理搞清楚，不要一上来就照着LT或者TI的老虎电路画小猫，很可能你出不来那个结论，
甚至不能工作。 我上次就照着这个做，没出来结果，也许我比较笨。
电路只是参考，给你思路。我希望我的建议能够有可用信息，如果有说的不对的，自行取舍。

chatatwill

非常感谢tianda，给我这么多好的建议！[s:31][s:31][s:31][s:31]

chatatwill

看来tianda对噪声的研究功力非同一般啊，我得多请教请教。

chatatwill

tianda_spl:1. 28nV这个指标是有效值噪声，还是峰峰值噪声？有效值的话，应该可以做到，
2. 参考一下LT1028，40nV峰峰值，AD797更小一点，你要求28nV，几乎很难做到。
3. 你只考虑了电压噪声，没有考虑运放的电流噪声和限流电阻产生的噪音。很多网友，往往忽略电流噪声，这个是不正确的。
4.  .. (2012-06-20  08:42)

1.噪声的有效值为28nV
2.LT1028,AD797真的是很棒的运放，我马上就买一些回来试试，LT1028应该可以申请到样品。
3.我也考虑了电流噪声，因为，电流噪声在50K的电阻上产生的噪声是很大的。其实，我实际试验的时候用了好多运放，我只所以图片上用的OPA27，是仿真的时候用TINA随便选了一个。
4.电阻的热噪声其实简便计算公式为，4nV/rtK

Ω

Hz，要降低只能靠降低带宽，问题是这种跟随电路怎么降低带宽？
5.接触电阻，我以前没有涉及过，有机会我会测试一下。
6.学习了，好深的功底。
7.我一直用TINA这个软件计算噪声，其实贴图中的运放换成

AN124噪声更大，很没有道理，可能是我计算错了。

8.

AN124正在研究中，

IRF3602这个是怎么实现的，我还真不知道，请赐教。

9.电阻+二极管保护，只是一个等效电路，实际电路是电阻+模拟开关ADG508，二极管在ADG508的内部。要求300V以内都要正常保护，目前只能想到现在的办法，，但没有别的更好的办法。有没有更好的办法请赐教。

10.请问自己搭电路应该从哪方面入手？我很想自己用分离元件实现。

11.

LTC1051手册正在研究中，后面再请教。

28nV是个很严峻的挑战，可能是我对需求的理解有问题，

我其实是想实现六位半的万用表，我的理解是在100mV档位，噪声的有效值为28nV，才能实现六位半。不知道这个理解是否有问题

非常感激你的回复，我继续努力中，我的目标是前端模拟电路达到六位半的噪底，如果你有这方面的研究请赐教。

a-fly

几点看法：
1、28nVrms的噪声水平并不需要挑战，应该是可以轻松实现的，用OPA140构成的放大器的性能可以确保优于34401A的噪声水平。
2、在这种噪声层次上，基本不需要考虑电阻体本身的噪声。
3、如果你不是模拟高手，不建议使用FET去自己搭建放大器。
4、几乎所有单个运放都无法满足6位半万用表的100mV档的要求（线性度）。

chatatwill

这个帖子的电路太抽象化了，可能一下子不能全部表达我的意思，我心开辟了一个帖子，专门说明我的思路。
https://bbs.38hot.net/read.php?tid=24186&ds=1

chatatwill

a-fly:几点看法：
1、28nVrms的噪声水平并不需要挑战，应该是可以轻松实现的，用OPA140构成的放大器的性能可以确保优于34401A的噪声水平。
2、在这种噪声层次上，基本不需要考虑电阻体本身的噪声。
3、如果你不是模拟高手，不建议使用FET去自己搭建放大器。
4、几乎所有单个运放都无法满 .. (2012-06-20  21:41) 

1.那就是说，用OPA140就可以实现六位半了。
2.但是电阻的热噪声确实很大，50K的电阻可能有uV级的有效值，请问怎么在放大电路里面限制带宽来抑制热噪声。
3.我是模拟菜鸟，一切都在学习中。
4.我打开过NI的PXI4065和agilent的M9183，都是六位半万用表，它们都是用运放实现的放大电路，而且，采集部分都是用的LTC2440。不过，确实，我没有在它们的数据手册里面找到线性度的指标。

这个帖子的电路太抽象化了，可能一下子不能全部表达我的意思，我心开辟了一个帖子，专门说明我的思路。
https://bbs.38hot.net/read.php?tid=24186&ds=1

请赐教。

tianda_spl

请注意LT1028和AD797都是双极性运放，电流噪音很大的。通常来说，其前端电路输出阻抗不允许超过K欧姆水平，否则这个运放的电压噪声性能将被电流噪声损毁。

OPA140这个运放是FET的，250nV峰值噪音，电流噪音几乎不用考虑。LZ要求28nV有效值噪音，至少需要2个并联。德州仪器不给OPA140样片，以前给过OPA2140样片，现在申请样片的时候显示OPA2140缺货，LZ再等等看。e络盟购买非常昂贵，80多块钱，还得付17%税和30米运费。


申请TI样品，最好找大学里的朋友，地址是大学就行，找人代收。填写资料的时候有，地址2那个栏目不能空着，这上班级，学历，指导老师，或者教研室什么的，这样成功率大，否则拒绝。
降低带宽不需刻意进行，如果ADC或者测量表是双积分的或者Δ-Σ类型，或者采样频率比较低，那么本身就是带限系统，高频噪音根本反应不出来。举个例子，我曾测试过LT317和另外一个DCDC模块的噪音，空载时用万用表根本看不出什么噪音，但是用500M示波器看，噪声一下子达到100mV峰值。

如果要进行带限的话，可以在运放的反馈环上做文章，把噪声带宽限制一下，同时可以驱动容性负载。参考一下mengxin自制6.5表，ADC前端的那个驱动电路。但是提醒你，虽然这个电路结构固定，但是不同运放需要不同的电阻电容数值。这个靠仿真或者测试，理论计算可以参考本坛这个资料。
https://bbs.38hot.net/read.php?tid=21923&fpage=2
凭经验，多数下，5K和10欧姆，10nF电容差不多够了。不要把带宽限制到非常低，那样做不出来，并且效果不见得好。带宽到几百Hz或者几KHz就很好了。

在LT文章中提到的LSK388，和我提到的IRF3602都是买不到的，并且非常昂贵，不建议采用。本坛团购过IRF3602。另外就是没有设计资料。原理其实简单，用配对JFET搭一个前级，再用商品运放转为单端，构成闭环即可。

关于LT、ADI、TI的参考电路，其实仅是参考，有的时候不一定就能做出他的效果，原因有两个：1，自己的实力不够，对电路结构不懂，经验不足；2，电路结构本身有问题。

如何做保护，这个我不懂了。LZ可以联系下ADI技术支持咨询一下，或者找安捷伦问问。

非常赞同a-fly的建议，不要自己搭分立电路。

可以参考一下这个电路，去掉7.5欧姆电阻，470欧姆电阻变成导线，1.5K欧姆电路换成再小一点的电阻，前三个运放（或者你可用OPA4140做4个），最后一个还用LT1028。但是这个电路是反向放大，输出是负的。并且由于每个运放的不匹配和电阻不匹配，多少来说会产生增益。


电阻的噪声是一定要考虑的，以AN124的电路为例，他的噪声水平是160nV峰值，和你要求的28nV有效值差不多一样，但是这个电路的噪声来自哪里呢，大部分在哪个1.2K欧姆电阻上，少部分在电容的漏电产生的噪音，以及LSK389这个管子的噪音。

tianda_spl

再有一个就是电源的引入噪音，电源必须很好的滤波。
可以使用低噪音的稳压器，比如LT1761等。也可以用ADI或者TI的，但是你要达到+-15V，好像我在ADI网站找不到什么型号。

ruinedone

SPL老师的资料，确实比用JFET搭分立电路更容易实现。

youngliu

a-fly:虽然不知道为什么有几十微伏的跳动，但这个电路的输出噪声不可能小于100nVrms。
虽然OPA27的电压噪声密度很小，但其1.4pA/Hz的电流噪声决定了输入端不能接那么大的电阻。
这个电路结构若想要得到你的设计目标，运放选用OPA140可能是极少的可以实现的选择。 (2012-06-19  21:54)

1.4pA/sqrt(Hz)的电流噪声谱密度在50k的输入电阻上将产生70nV的噪声，即使将带宽限制到1Hz

a-fly

chatatwill:1.那就是说，用OPA140就可以实现六位半了。
2.但是电阻的热噪声确实很大，50K的电阻可能有uV级的有效值，请问怎么在放大电路里面限制带宽来抑制热噪声。
3.我是模拟菜鸟，一切都在学习中。
4.我打开过NI的PXI4065和agilent的M9183，都是六位半万用表，它们都是用运放实现的放大电 .. (2012-06-20  22:23)

1、我可以肯定的告诉你，用OPA140可以实现由于34401A的噪声性能。
2、万用表的噪声指标是有条件的，这与他的积分时间（等效带宽）有关，如果积分时间为100PLC，那他的等效带宽仅0.5Hz这时电阻的噪声会有多少呢？这与宋老师所提及的放大器（具有较大带宽的）完全是两回事。
3、加强学习，有志DIY6位半就是好事。
4、告诉你34401A的线性度指标：1ppmRD+1ppmFS，实际指标应明显优于这个。

chatatwill

老哥:在50K接运放那端对地接个10u的电容，opa27要挑Input Bias Current接近0的。 (2012-06-20  00:26) 

接个10uF的电容，就相当于在跟随的前端加了一个大的RC滤波，外面的信号驱动能力太弱，可能驱动不了。其次，电容太大，会不会造成运放不稳定，电容太大漏电流大的话，会不会引入噪声？

chatatwill

hfs4991:支持4楼的说法.保护电路另想办法 (2012-06-19  22:34) 

请问还有什么好的保护办法吗？

chatatwill

tianda_spl:1. 28nV这个指标是有效值噪声，还是峰峰值噪声？有效值的话，应该可以做到，
2. 参考一下LT1028，40nV峰峰值，AD797更小一点，你要求28nV，几乎很难做到。
3. 你只考虑了电压噪声，没有考虑运放的电流噪声和限流电阻产生的噪音。很多网友，往往忽略电流噪声，这个是不正确的。
4.  .. (2012-06-20  08:42) 

今天仔细看了一下LT1028和AD797
LT1028
35nVP-P Typ, 0.1Hz to 10Hz，这个参数绝对牛！
Input Noise Current Density fO = 10Hz  4.7pA/√Hz，这个参数似乎没有OPA140好。

AD797
35nVP-P
2pA/√Hz

这两个运放确实很不错。指标各有好有坏，具体到这个电路，应该怎么权衡呢？
假如在运放的后端有带宽限制在10Hz以下。

chatatwill

tianda_spl:请注意LT1028和AD797都是双极性运放，电流噪音很大的。通常来说，其前端电路输出阻抗不允许超过K欧姆水平，否则这个运放的电压噪声性能将被电流噪声损毁。

OPA140这个运放是FET的，250nV峰值噪音，电流噪音几乎不用考虑。LZ要求28nV有效值噪音，至少需要2个并联。德州仪器不给OP .. (2012-06-21  08:24) 

如果要进行带限的话，可以在运放的反馈环上做文章，把噪声带宽限制一下，同时可以驱动容性负载。参考一下mengxin自制6.5表，ADC前端的那个驱动电路。但是提醒你，虽然这个电路结构固定，但是不同运放需要不同的电阻电容数值。这个靠仿真或者测试，理论计算可以参考本坛这个资料。
https://bbs.38hot.net/read.php?tid=21923&fpage=2
凭经验，多数下，5K和10欧姆，10nF电容差不多够了。不要把带宽限制到非常低，那样做不出来，并且效果不见得好。带宽到几百Hz或者几KHz就很好了。

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这段话真是金玉良言啊，拜谢拜谢，我自己实际试验了一下，5K和10欧姆，10nF大大增加了容性驱动能力。
我试着把反馈电容增加的几个uF，反倒效果更差，和你说的一致。

但是，我还是有一个疑问，反馈电容大了，为什么会效果更差？
反馈电容到底多大合适？需要怎么考虑？

chatatwill

youngliu:1.4pA/sqrt(Hz)的电流噪声谱密度在50k的输入电阻上将产生70nV的噪声，即使将带宽限制到1Hz (2012-06-21  11:17) 

你算的很对，所以，这个地方要用电流噪声谱密度非常小的运放。

chatatwill

a-fly:1、我可以肯定的告诉你，用OPA140可以实现由于34401A的噪声性能。
2、万用表的噪声指标是有条件的，这与他的积分时间（等效带宽）有关，如果积分时间为100PLC，那他的等效带宽仅0.5Hz这时电阻的噪声会有多少呢？这与宋老师所提及的放大器（具有较大带宽的）完全是两回事。
3、加 .. (2012-06-21  12:40) 

1.很高兴听到你的这个结论。
如果，我现在要用OPA140做直流放大，AD用LTC2440，量程安0.1V,1V,10V安排。那么要把-10V～+10V的电压调理成，1.25～3.75的差分信号，共模电压我2.5V（LTC2440用5V参考）。

这样分析是否正确？

电路应该怎么实现比较合适？能否给出原理图知道一下，多谢

2.我今天仔细考虑了这点，你说的非常正确，我之前忽略了AD的带宽限制，一味的在前端模拟限制，反倒效果变差了。
但是，我还是有一个疑问，比如LTC2440，1.8MHz采数，32768抽取，等效采样率6.8Hz，第一个陷波零点50Hz，那它的实际信号带宽是多少？应该怎么算？




3.来到38HOT后，我感觉到大家的热情，还有几位高手的专业和诲人不倦，这里深深的吸引了我，短短两天，让我提高了非常多，真的真的非常喜欢这里。再次感谢大家。[s:31]

4.我确认了一下，34401A的线性度指标：2ppmRD+1ppmFS。真的非常强大，只能望其项背了。