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10～100pA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。

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。

 

 

 

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。

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。