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(duì)低噪聲放大器各項(xiàng)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(jì)要求

這是一個(gè)傳感器的前端低噪放,，傳感器的信號(hào)是大約10～100pA的電流脈沖信號(hào)，信號(hào)帶寬上限約為1KHz,，要求將此電流信號(hào)盡可能不失真的放大出來(lái),。

2,，器件選型

根據(jù)需求，我們應(yīng)該考慮片子的這幾個(gè)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(jì)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：

1),，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?yàn)槲覀兎糯蟮男盘?hào)大約是10pA,，所以要求偏置電流應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于這個(gè)值,，而OPA129的偏置電流為±30fA。

2),，放大器的差分輸入電阻和輸入電容：因?yàn)?/span>10pA的信號(hào)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(huì)對(duì)信號(hào)的帶寬帶來(lái)限制,，所以應(yīng)該選擇極小的輸入電容,。OPA129的這兩個(gè)參數(shù)分別為10e13歐姆和1pF。

3),，電流和電壓噪聲：這個(gè)指標(biāo)會(huì)影響輸出信號(hào)的信噪比,。這個(gè)指標(biāo)后面會(huì)有一個(gè)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),。

4),，電源抑制比：因?yàn)槭俏⑷跣盘?hào)放大，對(duì)電源要求是顯而易見(jiàn)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(gè)值在頻率增大時(shí)會(huì)降低。OPA129很貼心的給出了1Hz到1MHz的電源抑制比,，其典型值在90dB,。

3，設(shè)計(jì)估算

TI公司的網(wǎng)站有很多設(shè)計(jì)工具,，也有他們各種器件的spice模型,，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)的一開始應(yīng)該對(duì)所要設(shè)計(jì)的問(wèn)題做一下評(píng)估，這些都是非常有用的工具,。

1),，噪聲估計(jì)

TI公司有一個(gè)Noise Calculator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(gè)工具來(lái)估計(jì)一下噪聲,。

噪聲估計(jì)模型和具體參數(shù)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1所示：

反饋電阻R2選擇200Mohm，這個(gè)是主要的噪聲來(lái)源,。

從計(jì)算結(jié)果可以看出來(lái),，一直到放大器的0dB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(gè)值的含義是簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是用示波器在輸出端測(cè)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(hào)10pA，經(jīng)過(guò)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(jì)在1kHz處,，那么理論上底噪聲還會(huì)大大減小,。

圖1，OPA129的噪聲估計(jì)

2）,，補(bǔ)償電容C2作用的定性分析

先把仿真模型說(shuō)明一下,，這是電流放大的spice電路模型，看上去很簡(jiǎn)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(gè)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(jí)跟隨器。OPA129片子就是放大器的spice模型,。

下面兩個(gè)圖分別是不加載C2和加載C2的輸出電壓對(duì)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(shí)間坐標(biāo)為1ms/div,。

不加載C2時(shí),，因?yàn)?/span>C1的作用，方波中各頻譜的信號(hào)通過(guò)放大器后相位(主要)和幅度變化不一致,，導(dǎo)致輸出信號(hào)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(jiàn)相關(guān)理論,。

3）,，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1Gohm,，那么信號(hào)通過(guò)的帶寬就窄,，信號(hào)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(huì)增加，會(huì)給調(diào)試帶來(lái)很大麻煩,。從仿真中可以看出趨勢(shì),。

反饋電阻選成1Gohm，補(bǔ)償電容在70fF時(shí)補(bǔ)償效果最好,，而且這個(gè)70fF電容值稍微改變,，信號(hào)就會(huì)有比較大的畸變，系統(tǒng)不穩(wěn)定,。

所以選擇一個(gè)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(hào)的時(shí)域特性和頻域特性而定。

4,，調(diào)試實(shí)現(xiàn)

1),，如果電流放大器的各參數(shù)利用的很極致，那么這個(gè)放大器的可重復(fù)性就差,。因?yàn)槲⑷醯淖兓紩?huì)給電路帶來(lái)不穩(wěn)定,，傳感器的微弱電流放大有時(shí)是一門手藝。

2),，漏電流也會(huì)給電路帶來(lái)影響,，因?yàn)殡娮韬艽螅蟮揭灾劣谄渌究梢哉J(rèn)為是絕緣的地方不能認(rèn)為是絕緣的了,，這時(shí)候你就要考慮漏電流了,，保護(hù)好電流走應(yīng)該走的地方。

3)，布電路板時(shí),，要考慮前端信號(hào)傳輸沿路的分布電容,，設(shè)計(jì)者心里得有定性的認(rèn)識(shí)。

4),，當(dāng)你底噪聲調(diào)不下去的時(shí)候,，有可能就是電源不好，很難說(shuō)清楚具體原因,，只能試誰(shuí)是主要矛盾,。

希望這篇博文能拋磚引玉，大家共鳴,。