神秘的运算放大器噪声

电器工程 运算放大器 放大器 仪表放大器
2022-01-14 04:50:30

我有一个非常好的运算放大器 ( AD8551 ),用于动态放大非常小的信号(2x、10x、100x、1000x 增益)。

问题是在 100x 和 1000x 增益下存在明显的噪声水平,并且具有奇怪的恒定形状。

如果我用一个不稳定的电源为电路供电并将放大器的输入连接到 GND,我会在 1000x 处获得很大的噪声水平,如下图所示。

如果我用更稳定的电源为电路供电,噪声仍然存在 1000 倍,波形相同,但幅度较低。而且无论我使用什么电源,形状怪异的噪音都不会消失。

由于我的 AD8551 的 PSSR 为 130 dB,我认为用于偏置输入的TL431可能有问题。因此,我将稳定性不佳的电源留给了运算放大器,并为 TL431 使用了更好的电源,但输出是相同的。稳定 TL431 阴极电阻上的电压不会改变任何事情。

放大器示意图

下图是带有内部 ADC 的微控制器采样的输出。如您所见,在 1000 倍时,输出几乎在全范围内摆动。本次测试中缺少 100x 的原因是因为我将 1MΩ R21 替换为 100KΩ 电阻,将 1KΩ R66 替换为 100Ω,导致 1.1X、2X 10X 和 1000X 放大。我这样做是因为我担心反馈电阻 R21 可能太大而无法偏置运算放大器的负输入,即使 AD8551 的输入偏置电流额定最大为 2nA。这种变化确实略微减小了噪声的幅度。 在此处输入图像描述

即使运算放大器的 PSRR 为 130 dB,Vcc 是否必须保持安静?是输入偏差导致了这个问题吗?

我无法弄清楚,尤其是因为我无法使用示波器。我所拥有的只是保存在 SD 卡上的微控制器的读数。

4个回答

看起来像电源嗡嗡声。(我假设图表上的注释显示您在采集期间更改了输入增益,因此正弦波不连续)。

现在我们不知道:

  • 观察到的“正弦”波的周期
  • ADC 采样率
  • 您的电源频率,但您确实如此,因此您可以确定这是否是可能的假设。

例如,如果您在一个 50Hz 电源国家以 50Hz 采样,并且看到一个小于 0.5Hz 的频率,那么您很可能将电源嗡嗡声混叠到观察到的频率。

考虑到运算放大器输入的高输入阻抗,它们看起来像是静电耦合的目标,而不是磁性的。

现在,在哪个输入上?

如果您移除传感器并将输入短接到地,噪音会消失吗?然后必须更仔细地筛选传感器连接。或者您需要在传感器上安装一个缓冲放大器来降低传感器的输出阻抗。

如果噪音仍然存在:将 R21 降低到 100k,将 R66 降低到 100 欧姆。这是否将噪音衰减了十倍?如果是这样,那就是负输入。两个输入更有可能拾取噪声,因为它们都是相当高的阻抗点。

您可以通过屏蔽来减少静电拾取:实验性地,用锡箔围绕放大器(并将锡箔接地到放大器的地)

将电源去耦电容添加到所有 IC 尽可能靠近其电源引脚的位置。一个好的值通常是 100nF,但您可能需要仔细检查您使用的各种芯片的数据表。通过不使用去耦帽来节省资金是一个糟糕的设计选择。上限很便宜,故障排除/重新设计时间很昂贵。

虽然我无法从你的情节中看出发生了什么,但我会建议以下内容。

任何时候你构建一个放大器电路,比如你的,提供一些高频反馈是非常明智的。为此,请在 R21 上放置一个小帽。通常 10 pF 就足够了。这将在 Omega = 1/(R21*C) 处产生低通响应,但这通常不是问题。

您需要这个电容来抵消非反相端子上的寄生电容。

你为什么要为 R21 使用如此巨大的价值?

这个大小的值将确保您的电路非常嘈杂,并且在 Av = 1000 时非常明显。R21 的更现实的值是 10k,尽管您在计算增益时需要考虑 FET 的电阻。