原创 运算放大器设计与应用—电子工程师必备手册(下)3

11.关于微弱信号放大

问：

我是做水分析仪器方面的，他们的传感器的输出大多十分微弱，比如拿氧来举例：给传感器供0.7V恒压，它会输出一个20nA~200nA这样一个电流，这么微弱的电流简直是无法想象的，功耗、速度、带宽之类都次之，我看了一些运放的资料，但是即使最高端的也不能完成这个任务啊。是不是需要一些复合的方法或者手段

答：

(1)你说微弱信号放大应该是先进行I-V转换，再进行放大，当然也可一步到位；实现这种目的应该不难，问题在于其SENSOR灵敏度和I-V转换、放大所产生的噪声电平如何抑制？推荐NS、AD、BB公司的OP，其网站上有详细工程设计手册，应该对你有所帮助。

(2)这种情况一般选择Ib非常小的高精运放或者log AMP，对于信号范围较大的，可以在反馈端用模拟开关选择不同的反馈电阻。

(3)目前我也一直在解决这个问题：遇到的问题是若直接利用电阻将电流信号转换为电压信号（Vout=Iin*R,如R=1Mohm），后跟一个稿输入阻抗的运放跟随，发现由于采样电阻高，而引入了50HZ的干扰波“采用一个电阻（比如1Gohm）与一个低偏置电流较高输入阻抗的放大器组成一个跨导放大器（transconductance amplifier）即可完成IV变换(Vout=Iin*Rf， Rf为跨导--就是那个1Gohm的电阻，Iin为输入电流，Vout为放大器的输入电压)。”有一个疑问：1Gohm是否会引入干扰，如50HZ的周波。问题：50HZ的干扰波该如何消除呢？

(4) a、电路设计时注意平衡的处理，尽量平衡，对于抑制干扰有效，这些在NS、BB（被TI收购了）、ADI等公司关于运放的设计手册中均可以查到。（电流－电压转换，如光电接收电路等）

b、推荐加金属屏蔽罩，将微弱信号部分罩起来（开个小模具），金属体接电路地，可以大大改善电路抗干扰能力。

c、nA级电流已经不小了，不要畏难。选择输入电流pA级的运放即可。如果对速度没有多大的要求，运放也不贵。仪表放大器当然最好了，就是成本高些，如果普通运放能满足要求，也可以不用，看你们精度要求了。（仪表放大器平衡性最好，见上面第1条）

d、若选用非仪表运放，反馈电阻就不要太大了，M欧级好一些。否则对电阻要求比较高。后级再进行2级放大，中间加入简单的高通电路，抑制50Hz干扰。

(5) 50Hz干扰是经常遇到的，不太清楚你的整个系统（电源，传感器，信号调理电路，等等）的连接关系，各部分供电及接地如何处理的。首先你要找出干扰源头在哪里，是从传感器那里来的，还是在信号调理这边来的，你可以把信号调理电路的输入端对地短路使得输入差分信号为0，然后观察放大器输出有无干扰。需要注意的是，如果你用示波器测量时使用不当，可能造成测量假象，示波器的地线不能太长，示波器的 220v电源端地线要接地良好，将示波器探头地线与信号线短路（这样示波器的输入差分信号为0），然后接到调理电路的地上，看有没有50Hz的干扰，如果有，说明示波器的测量受到共模干扰的影响，解决方法：使用220v隔离变压器给示波器供电，用短的多股编织铜带连接示波器信号地和被测电路地。通常，如果放大器与传感器之间的电缆较长的话，很容易引入50Hz干扰，建议使用屏蔽对称电缆来传送信号。

(6)对于微弱信号的放大，只用单个放大器难以达到好的效果，必须使用一些较特别的方法和传感器激励手段。使用同步检测电路结构可以得到非常好的测量效果。这种同步检测电路类似于锁相放大器结构，包括传感器的方波激励，电流转电压放大器，和同步解调三部分。电流转电压放大器需选用输入偏置电流极低的运放。

(7)很多传感器都要加变换电路后才可以送去放大，前端是非常重要的。这个案例要先做I/V变换后就好处理了。另这种电流的变化对传感技术来说已经很可观的了。

(8)对于量程最小为20nA的电流测量，张先生建议采用“交流放大-同步检测”的方法。这种方法在弱电量测量方面有广泛的应用。在弱电流测量领域（行业内称测量弱电流的仪表为静电计），有一种采用振动电容做‘调制器’的测量弱电流的方法，用一定频率的交流信号激励振动电容的线圈，调制电容极板上的电场（不影响电荷，极板之间的DC leakage current几乎可以忽略不计），将电荷转换为交变电压信号，然后交流放大，再进行相敏检波（或叫做相干解调，跟张先生所述‘同步检测’一个意思，可用4个二极管组成双平衡形式，输入的信号一路是携带了输入信号的调制信号，另一路是），检波输出经缓冲后接高电阻连到输入端---所谓‘高绝缘端 ‘或‘高端’，构成一个跨导放大器。这种方法可以取得很高的灵敏度，抗共模干扰能力特别强，最小可测电流几乎只受噪声特性限制。但是，问题的另外一个方面，采用这种方式需要的电路复杂，器件较多，成本上很不具优势。实际上，在弱电流领域，20nA是“非常强”的信号，根本用不着如此大费周折。在所需要的工作温度范围内，根据测量误差限的要求（比如全温范围内小于0.5%），选用输入失调电流最大为pA量级（0.5%误差要求可选Ioffset<20nA/1000=20pA）的运放，再根据运放datasheet上的共模抑制比、失调电压（工作温度范围内）、输入阻抗、开环增益，以及传感器输出的 DC共模电压，进一步核算考虑了这些非理想因素带来的误差影响，看最终的结果能否满足误差要求。一般来说，可以选用低偏置电流的仪表运放，在共模抑制方面能有很好的表现。另外，仪表运放还可以方便地改变‘开环增益’增益而不影响输入阻抗（降低失调电压的影响需要降低开环增益）。实际电路中，还要加上调零电路，与输入信号相连的pcb布线周围要有大面积地包围，如要精益求精的话，还可以考虑设计一个guard ring，用来降低pcb材料带来的额外直流漏电（对这个应用来说可能用不着）。精

度高）

(9)就low-level measurements area来说，你的信号并不是很弱的信号。从你的描述来看，sensor输出的应该是高输出阻抗弱DC电流信号，由于信号本身是搞输出阻抗的，所以解决问题的关键在于阻抗变换。阻抗变换有很多种方法，对于处理你这样的信号并不难，关键是第一级的preampier,有很多种方式：

a、采用 IV转换将传感器的高输出阻抗电流转换为低输出阻抗电压，然后就可用传统方式进行后续处理。采用一个电阻（比如1Gohm）与一个低偏置电流较高输入阻抗的放大器组成一个跨阻放大器（transimpedance amplifier）即可完成IV变换(Vout=Iin*Rf， Rf为跨阻--就是那个1Gohm的电阻，Iin为输入电流，Vout为放大器的输入电压)。如果量程较宽（超过10^3数量级），可通过高绝缘阻抗继电器对不同的反馈电阻进行切换。具体设计取决于你的量程范围，精度，漂移等要求放大器最好用仪表放大器（Instrumentation OP AMP），就是那种内部结构中+,-输入端各有一个独立的放大器的那种。主要根据你的要求看 Ibias, Ioffset, Voffset, CMMR（包括温漂）

b、采用直接IFC方法，将弱电流直接转换为脉冲频率信号，无需量程切换即可达到很宽量程覆盖。

(10)当反馈电阻为1G欧姆的时候，电阻的热噪音等等参数都是很不理想的，所以不要用那么高的反馈电阻。而且电阻精度对电路的影响也很大,可以考虑才用过个T型构成反馈网络，但不推荐使用。 Rf选择不要太大如果信号幅值不够的话，可以采用二级放大。50HZ干扰并不是因为你的Rf大而引入的。你可以采用屏蔽，接地的方法消除公频干扰，也可考虑二阶低通滤波电路。那要具体看你的信号了。

(11)关于PCB板材选环氧玻璃布板外层涂环氧树脂漆，但一定要求制版商清洗无离子污染，在输入部位，版图上要“画圆圈”接地，防止漏泄电流，要用好的电缆作输入线，超过100兆欧才要“架空线”，如果是多量程，那转换开关或继电器也要仔细选择！

(12)采用反馈系数为1（反馈电阻直接串接在-输入端和输出之间）的电压并联负反馈电路，跟采用反馈系数小于1（所谓T网络反馈，其实是输出电压经过分压后，再串联一个比分压网络阻值高得多的电阻连到-输入端）的电压并联负反馈，在通带一致的情况下其噪声特性是相同的。电阻具体用多大，要依据最大输入电流信号和运放最大输出电压（跟运放供电的电源电压密切相关）确定，

如果采用+-3v对运放供电，考虑运放线性输出区为+-2v，那么，对于反馈系数1的电路，电阻最大可以用： 2v/200nA=10Mohms；对于采用反馈系数小于1的电路，电阻最大可以用：2v/200nA*y, y为反馈系数。

实用的电路，在反馈电阻两端都要并联pf级的电容，构成低通滤波器（当然不加电容也是低通，因为有高电阻的寄生电容，运放的低通频率特性），用这个低通特性衰减低频噪声。低通截至频率越小，输出信噪比越高，但是得到稳定读数时间变长，实际需要在2者间求平衡。

考虑到运放的失调电压和输入共模干扰电压的影响，反馈电阻在满足上面最大电阻和本身稳定性前提下，尽量取较大值。

至于电路板，20nA最小电流并不需要特殊板材，普通FR4足够了，这种板材干燥情况下的绝缘电阻不低于 10e13 ohms，足够了。只是如果不采用高端（所有与运放-输入端相连的点）浮空的方法，则在焊接完元器件后，要对电路板表面作防潮处理（涂覆绝缘漆）。

(13)传感器如果离开电路在10米左右，用屏蔽的聚乙烯介质电缆足够，最好不要摇晃电缆，传感器附近不能有电场干扰。如果有，后面要加条件处理，不知道你的“测试源”条件如何？传输距离很远，也可以将前级用理电池供电，安放在传感器附近，甚至可以加用一个V-I变换器输出4-20MA，传输距离更远。

(14) 1千兆级的取样电阻肯定引入了干扰，除了屏蔽输入及和输入电缆外还要仔细屏蔽信号源，这里有技巧！

如果干扰不太大，后面好歹加一些条件处理即可。

(15)你肯定可以用电缆传输，关键是你的“采样点”是敞开的吗？可以加一个金属网罩吗？如果传感器“夹在电机绕组内”还要想办法“隔离”电场干扰，或者你全部用电池供电，再屏蔽，输出信号用光-电耦合器传输至A-D；电位差计时低阻抗信号源，没问题！但是你要创造的是电流源，小电流源是需要屏蔽的！

(16)采用AD方法当然没有问题。0.1nA的分辨率问题也不大（如果是准确度的话就是极大挑战了）。要做到6个数量级的宽量程覆盖，进行量程切换无疑是准确度最好的方法。至于IV之后进行VF还是直接 AD，都可以，VF本身也是一种特殊形式的AD(输出的数字量是单位时间内的脉冲个数-脉冲频率)。

量程切换有其固有缺点，比如需要低漏电的切换开关，如果是电子开关的话对开关本身的漏电流要求比运放偏置电流要求还要高（多个开关并联漏电加大）；如采用机械开关（如干簧继电器），则存在体积大、切换时会有较大静电荷冲击等缺陷以本人浅见，直接进行弱电流到频率的转换，是进行宽量程覆盖的较好方式。

(17)前面的帖子已经说明了，这些形式的AD本身都没有。有问题的焦点是：IV变换难以做到6个或以上数量级的动态范围，所以你在后面的AD动态范围再大，也无帮助。一个数据，本人当年采用的直接IF转换（没有IV的中间环节）弱电流测量，其动态范围超过 8个数量级，测量下限1fA，分辨率0.1fA

(18) I-C变换器的确是测量PA级以下电流的“计量”的好方法（如果你不是“514”所的，可否回复我的疑问），那个I-C变换器是为“计量”所用（适当的范围不是不能实用），在“现场测试”工作中它的工作成本；实用安全性-特别是那个“C”在生产中挑选的难度恐怕只有你和我知道-电容的残余电荷的问题，恐怕难于在推广中实际检测小电流的可靠性！难道现场信号能够等待C用“毫HZ”级别的时间去测量过时的信号，除此以外，在已经解决好高阻标准之后，I-V变换器具有实际的可靠的（20年）重复性—KEITHLEY的617型仪器便是一例，动态范围是由模拟器件决定的，I-C的—“I”是何物！只要测量模拟信号当今的数字信号如何自己检测模拟信号！I-C的输入级是模拟器件，所以I-C；I-V；动态范围是等同的！（除非特意延长时间）。

我在回复SANMING先生问题时是考虑他的实用特性，I-C变换器的确是很理想的方法，“高电阻”器件本身的计量也是使用此法！

(19)“电容的残余电荷”在弱电流测量中是一个大的问题。 Keithley公司的“low level measurements handbook”中有系统的描述。

对于非常弱的电流测量（10fA以下），所需要的测量时间比较长才能达到稳定状态，电流越弱，达到一定准确度需要的测量时间越长。在非常小的弱电流测量实践中往往需要小时数量级的测量时间才能得到稳定的读数。

换句话说，需要测量的电流越弱，测量系统的带宽越小，因为系统中的热噪声是确定存在的，信号越弱只能降低测量带宽换取信噪比。

12.为什么信号频率增加，共模抑止比（CMRR）和电源抑止比（PSRR）就会下降呢？

问：

请教：为什么信号频率增加，共模抑止比（CMRR）和电源抑止比（PSRR）就会下降呢？谢谢高人解答答：

(1) 提供共模和电源抑制比性能的电路结构是恒流源，即差分放大器共源（对于MOS电路）或共射（对于双极电路）结点的恒流源，或作为放大器负载的恒流源。这些恒流源中的晶体管或MOS管的参数会随着信号频率的升高而变化，引起恒流作用的劣化和内阻的降低，甚至引起相位失真，使抑制比下降。如果这些恒流源都用电阻替代有源电路，就不会太受频率的影响，但是其抑制比参数和增益也不会很高。

(2) 将问题反过来，首先区分出CMRR和PSRR的影响因素，就会明白其中有一个就是频率问题。

13.运放工作在弱反型区的问题？

问：

我在设计一个音频功率放大器时，为了提高SNR，让放大器输入管的宽长比做得很大，导致输入差分对管工作在弱反型区，这样做是否对性能什么影响？

答：

(1) 宽长比增大为何会进入弱反型？弱反型的效果大致可以用三极管特性模拟gm变小，小信号阻抗也变小，会导致增益下降ft下降吧，书上说适合用于低功耗低频电路

(2)输入管Gm增大可减小噪声。由EKV-model，弱反型区Gm=Id/(n*Vt)，强反型区Gm=2*n*Id/Veff，例如典型的Veff=300mV，则可得弱反型与强反型下的Gm之比为5.6，因此可用于提高SNR。弱反型的同时适用于低压低功耗设计。

所引起的问题，我想是因为输入管的尺寸可能会很大。一方面W/L很大；另一方面为了抑制1/f噪声，L也需要很大，以使沟道面积WL增加。两方面结合起来使得在差分对管上出现大的电容，增加了零极点，对相位裕度带来一定难度。

事实上，为了人为地使管子工作于弱反型区，而且通过所需的电流，因此管子的尺寸就必须要比强反型的情况下大很多。而此时的问题，一方面Vds会很大，可能会为后级工作点的选取带来不便，令一方面，和之前提到的一样，管子尺寸变大导致节点电容加大，在输入差分对管上引入新的低频零点极点，使相位裕度变差。