设计制作并验证0.1Hz10Hz超低频微弱噪音检测放大器VIP专享VIP免费

设计制作并验证0.1Hz~10Hz超低频微弱噪音检测放大器STEPBYSTEPJackFrost一直想有个小装置能够测量0.1Hz~10Hz的超低频噪声，人越来越懒得动手，前几周才开始慢慢准备断断续续制作测试，今天才鼓起勇气把手头的资料整理起来。超低频噪声的意义什么的就不说了，但凡玩基准高精密测量的人都了解，这里能够写的篇幅实在太大了，就略去各种前戏相关知识了。因为人懒，所以比较多理论的准备工作，以尽量减少动手拿烙铁的劳累了。好听的说就是强调理论指导实践，事半功倍，嘿嘿。于是有了这篇STEPBYSTEP，记录下这段时间试验的过程，本着分享和共同学习进步的网络精神发到网络上，码字很辛苦，大家喜欢的话就点个赞多点鼓励，我也有动力有理由不再懒下去。文章的篇幅会很大，断断续续下来记录下来的笔记内容很多，发到网上尽量缩减了首先笼统地讲放大器包括2个大部分，一个是前级，将微弱信号（通常是uVp-p级别）放大1000或者更高；另一个是0.1Hz~10Hz的带通滤波器。先来带通滤波器部分，这部分直接用的TI官方出的SLAU522文章中的带宽滤波器，作者是ArthurKay。这部分包括包括一个增益为10的二阶0.1HzHPF和一个增益为10的10Hz四阶低通LPF，总的增益是100倍。并且在输出部分加了一个22uF的大薄膜电容通过BNC连接到示波器1M欧输入阻抗，以彻底隔离直流，这样示波器上就可以直接读取峰峰值来了解噪声情况了。由于放大器的噪声主要是由前级来决定，所以这部分可以使用大电阻，运放选择条件也宽松，我用的是手头拆机的OPA2277。电容用的是薄膜电容，电阻值是用手头多个0805串联出来的。下面是这部分电路的实测根据以上测试可见，LPF-3DB点比设计值稍偏低了一点，这主要原因还是电容容量误差，手头没有高精度的零件，也没有可以准确测容量的仪器，只能保证电阻误差不大于1%。带通滤波这部分内容就不多讲了，并不是本篇超低频微弱噪音检测的重点接下来前级放大部分是要考虑比较多的，做了比较多的工作，放大器的噪声水平主要取决于这部分。一、运放的选择：低噪声的运放有一些可供选择，我选择了一些典型的型号，并截下他们噪声指标以对比根据这些型号DATASHEET给出的噪声指标，进行了挨个大致的计算并粗略地汇总了下。这里主要关注的是0.1~10Hz频段，因此主要就是1/F闪烁噪声，噪声计算简化后的模型包括1/F的运放输入噪声电压、运放输入噪声电流在信号源内阻上产生的电压、信号源内阻的热噪声，由于反馈电阻用的是51//51K因此这部分就可以忽略了。10HZ总的输出噪声单位uVrms运放型号RS=0RS=8KRS=80KAD867616.540136OPA218828.345.5116ADA452817.441.5168AD86287583136LT102882742700OPA1403752120OPA20915.346272OPA8274255120OPA627107113156由于我们要测量基准的噪声水平需要在输入级加上RC高通，并且RC的频率点要低于0.1Hz，所以这就困难了对于100uF的输入电容，对应的输入电阻要大于16kohm，而这时候电阻的热噪声0.13*(sqrt(16000ohm))*sqrt(10Hz)=52nVrms=343nVp-p，这个热噪声水平都超过一些运放的输入电压噪声水平了，并且不仅如此，还有运放噪声电流流过这个电阻所产生的噪音。因此我们需要将输入电容C尽可能大，而输入电阻尽可能小，不过电容大的不好找体积大，并且漏电也大，会造成第一级放大单元直接饱和，于是这RC又成了一对矛盾。以前玩音响的时候还有点存货，包括22uF和10uF的薄膜电容，这些个性能很好，漏电小于1nA甚至只有几十pA，还有一个你吃糠的MUSEBP无极性电解电容，这个漏电情况也可以凑合。上面这幅是串了100K欧电阻测试22UFMMK薄膜电容的情况，漏电大约是0.26nA，而220uF/50VMUSEBP电解大约是几十个nA水平，并且电解电容加上直流偏置后漏电逐渐降低要测数小时才稳定。我们知道运放噪声包括输入噪声电压，输入噪声电流，并且这经常是个矛盾，输入噪声电压极低的运放往往输入噪声电流比较大，比方说经典的AD797，噪声电压仅50nVpp，但是噪声电流达到2pA/rtHz，而通常噪声电流小的运放往往噪声电压在200nVpp以上，通常是250nVpp。我选择的输入电阻是8K到16K左右，因此要用作前级放大就选择输入噪声电压尽量小，而噪声电流要小于0.XpA/rtHz级别的，尤其是fA级别的更好，并且...