施工指南
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比较A与噪声特性
FET跨导放大器和一个
交换积分
作者：Bonnie C.贝克
低输入电流FET运算放大器是univer-
萨利用于监测光电检测器，或更常见
光电二极管电流。这些光电探测器缩小差距
物理事件，光，和电子元件之间。有一
各种放大器配置为从选择和
选择是基于噪声，带宽，偏移和线性度。
最流行的设计方法示于图1。
相当数量的已被写上的性能
这种传统的跨阻放大器。这种拓扑结构有
主导应用，例如CT扫描仪，星跟踪
仪器仪表，电子显微镜等，其中光用于─
电压转换是必需的。
为了防止增益峰值
C
2
(a)
R
EQ
R
3
I
IN
HP5082-4204
10M
R
5
200pF
R
4
10M
100k
OPA128
e
O
R
EQ
= R
3
+ R
4
+ (R
3
R
4
/R
5
)
= 1000M
R
2
1000M
0.01F
R
2
+15V
守卫
A
1
I
IN1
(b)
A
1
A
2
： 1/2 OPA2111
INA105
R
2
R
25k
R
25k
I
IN
OPA124
产量
C
IN(1)
R
IN(1)
–15V
I
IN
50M
D
1
A
3
e
O
电路必须有良好的屏蔽。
注： （ 1 ）R
IN
和C
IN
使用，可以抑制由于输入的直流和交流的错误
偏置电流，然而，R
IN
也通过一个因子增加噪声在输出端
of
√4KTRB
倍的电路的噪声增益。
R
2
50M
I
IN2
A
2
R
25k
R
25k
图1.最流行的设计方法，以精确的增益
低电平电流从光电探测器。
到现在为止，唯一可行的解决方案，以高精确度，
电流 - 电压设计问题一直是一个运算放大器
网络与在反馈环路中的电阻器。这样的变化
由于采用电阻T-网络或仪表放大器，
如示于图2中，仍使用的一个基本概念
电阻反馈回路来执行I / V转换功能
化。在这些电路中，基本传递函数为：
e
O
= (I
IN1
– I
IN2
)R
2
R
EQ
= R
2
e
O
= 2 I
IN
R
2
R
EQ
= 2R
2
图2 （ a）用T型网络来设计反馈
电阻器的阻电路。
（二）仪表放大器拓扑结构
用来把低级别的光电二极管电流
租来的电压输出。
1993年的Burr-Brown公司
AB-057A
美国印刷1994年1月
在这两种传统的跨阻放大器和
切换积分发生在较低的频率。整体
在较低频率的噪声的贡献通常是很
小比在较高频率的贡献，
因此，知道R的精确值
1
不是关键的。
噪声分析传统
跨阻放大器器
对于跨之间的噪音比较上午
plifier和切换积分器参考图6为一
更完整的电路图。最佳放大器
将有无限的带宽，零电压噪声，零
输入偏置电流和零偏移电压。最佳
放大器不存在;然而，一些运算放大器来
关闭满足一个或几个，这些一般要求。
表1总结的场效应管放大器的关键指标
OPA111 ， OPA124 ， OPA128 ， OPA404 ， OPA2111 ， OPA2107
和OPA627 ，其通常在跨阻用
应用程序。
在设计的跨阻放大器的第一个步骤是
选择所述反馈电阻R
2
。通过了解马克西
妈妈希望我
IN
, R
2
被选择，以优化信号对
信噪比与下式：
V
输出（最大）
R
2
=
,
I
IN （MAX）
其中，V
输出（最大）
=最大输出电压
运算放大器的
I
IN （MAX）
=从最大电流
光电二极管的基础上最大
预计光强
典型值的R
2
是为10kΩ和100MΩ之间。
这可能是最佳的噪声性能可以转播
tained与V
输出（最大）
小于全输出摆动
放大器，在这种情况下，上面的等式是不
适用的。上述公式的设计优化的
信号 - 噪声比在放大器的输出端。
C
2
等效电路的光电二极管
I
IN
R
2
C
2
R
2
i
N
e
n
R
1
C
1
e
O
OPA124
e
O
I
IN
R
1
C
1
注： +短路在此配置。
(a)
| A | （分贝）
运算放大器的开环增益
图6.完成电路图用于在Evalua-
和灰的噪声和带宽性能
古典阻放大器和
交换积分。
信号增益
产品
OPA111BM
OPA124BP
OPA627BP
OPA404G
OPA128BM
OPA2111BM
OPA2107BM
噪声
输入
10kHz
带宽电容
（NV /
√
赫兹）
（兆赫，典型值）
（PF ，典型值）
8
8
6
12
(1)
15
(1)
8
8
(1)
2
1.6
16
6.4
1
2
4.5
4
4
15
4
3
4
6
输入偏置
当前
（PA ，最大）
1
1
5
4
0.15
4
5
f
p
=1/(2πR
2
C
2
)
f
z
=1/(2π(R
1
|| R
2
) (C
1
+ C
2
))
1 + C
1
/C
2
直流噪声增益
1 + R
2
/R
1
(b)
f
z
f
p
高频
噪声增益
fu
2
π
R 2 C1
fu
登录F
注： （1 ）表示的典型值。
表一，低噪声FET输入运算放大器通常用于
在跨阻放大器的应用。在
互阻抗应用中，输入电容
放大器的tance等于输入共
模电容加上输入差分电容
距离。
3
图7.噪音和经典的信号响应
跨阻放大器呃。
信号带宽（赫兹）
图7中的模型示出了总噪声增益响应
阻电路。信号带宽是阻止 -
通过由R产生一个极点开采
2
和C
2
。噪声频带 -
宽度是由开环增益滚确定关运算的
功放。为了最大限度地提高信号的带宽并保证一个
近似45°的相位裕度为25 ％的阶跃函数
过冲，C
2
使用以下公式选择：
C
2
=
C
1
2
π
R
2
f
u
1M
100k
R
2
= 1M
噪音
≈
20Vrms
10k
R
2
= 10M
噪音
≈
35Vrms
1k
其中f
u
=运算放大器的单位增益带宽
这里，信号带宽和噪声带宽是相同的
并等于：
0.1
100
200
300
400
500
600
光电二极管和运算放大器电容，C
1
（PF ）
1
BW =
2
π
R
2
C
2
在某些应用中， 25％的过冲可能太多。
一个更保守的5％的过冲，可以设计成具有
65℃通过使用下面的公式来选择C相余量
2
:
C2 = 2
C1
2
π
R 2
F ü
图8.信号带宽和输出噪声变化
变化的输入电容，C
1
中，一
阻放大器采用OPA111
作为运算放大器。
的Burr-Brown宏的OPA627是
OPA627E.MOD 。需要到PSpice的探测命令
计算累积均方根噪声为SQRT （S （V （ ONOISE ）
V（ ONOISE ） ） ） 。图8示出了如何互阻
放大器（使用OPA124设计）信号带宽
和输出噪声的变化与输入电容值。
需要注意的是输出噪声是整个骤变平
在C
1
。这是因为在信号和噪声带宽
减少用C的增加
2
。较低的噪声带宽
产生较低的RMS噪声在放大器的输出端。该
信号 - 噪声比提高。
以改善互阻抗的信号与噪声的比值
放大器，设计人员可以选择较低的噪声放大器
减少（1 + C
1
/C
2
）噪声增益，降低反馈电阻
值，或减少与一个系统的信号带宽
额外的过滤器或较慢的运算放大器。低噪声FET
放大器通常具有一个较宽的带宽和较高的输入
电容比更高的噪声场效应管放大器。如果一个较低
噪声，较宽的带宽放大器被选择作为运算放大器
为跨阻抗放大器，增加的带宽
和输入电容可能导致在系统中更多的噪声
比原来的运算放大器。一个过滤器可以用来减少
总的带宽和降低噪音。此外，该
跨阻放大器的噪声增益可以减小
通过增加
2
或减少
1
。光电探测器可
为了减少选
1
。有时这是不可能
由于光检测器的设计约束相较于
信号源。
2
可以以牺牲增加减少
带宽。更详细的技术可以被用来减少
噪声，如周围的一个更复杂的反馈网络
放大器或启动魁梧的光电探测器。这些技
niques超出了本应用笔记的范围。参考
为更深入的参考文章。
在传统的一个基本性能差异
tional跨阻放大器和开关积分
是，放大器给出了一个实时的表示
光激发在放大器的输出端，并且
切换积分给出的时间平均的代表性
4
其中f
u
=运算放大器的单位增益带宽
对于C典型值计算
2
将是从子微微
法拉以20或30pF的。对于C实际的最小电路值
2
取决于R的杂散电容
2
与PC板
布局。典型地，电阻器具有杂散电容值为0.5pF 。
使用C
2
上述计算出的值（为一个65°的相位裕
杜松子酒） ，有效噪声带宽等效于噪声
增益3dB带宽次
π/2
或：
BW
有效的噪声
=
和信号带宽是：
BW
信号
=
1
2R
2
C
2
1
2
π
R
2
C
2
通常，有必要按照阻扩增
费里用一个低通滤波器，以进一步降低宽带
噪声之外的信号带宽。单极，低通
用带宽滤波器以两倍的信号带宽
跨阻放大器可以很容易地改善动态
范围中的跨阻放大器由4或5个分贝。
蛮力计算应进行了解
区域的在图7所示的噪声贡献
（见OPA101数据表） 。例如，R
1
贡献
整体噪声增益在较低的频率，并且可以是大多
忽略不计。考虑设计时，此观点是有价值的
选项，以进一步提高电路。一旦详情
理解，但更简单的方法是使用一个宏和
模拟的结果。宏模型必须能够以仿真
运算放大器后期的噪声性能。适当的
C
2
100
90
总输出噪声（ μVms ）
R
2
80
70
60
50
40
30
20
10
0
C
2
=
100p
F
I
IN
R
1
C
1
1/2
ACF2101
e
O
C
2
= 200
C
2
= 500
C
2
= 100
0
pF
pF
0pF
(a)
| A | （分贝）
运算放大器的开环增益
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
C
1
(F)
图10.总输出噪声对C
1
和C
2
在ACF2101的
交换积分。
器的放大器的传递函数是由比例支配
反馈电容，C
2
和时间。参照图3 ，
当S
1
被关闭时，输入电流流过反相
运算放大器的节点（其被保持在虚地）与
C充电
2
。输入电流从而导致电压
年龄在运算放大器的输出中的负向转变
方向随着时间的推移。的开关的电压输出
积分表示的平均电流输入信号超过一
指定的时间，相对于的实时信号
前面的例子。该ACF2101交换集成，如图
在图3中，具有在规定的最大输入电流
100μA 。输入电流由内部电容限制
在ACF2101 （ 100pF的）和1V的器/μs的摆率
放大器。如果一个外部电容器被使用时，输入电流能
超过100μA只要下述比例为真：
C
2
≥
10
6
(
法拉/秒
)
（积分时间）
直流噪声增益
R
2
= (1 + —)
R
1
1/(2πR
2
C
2
)
高频
C
1
噪声增益= （1 + - ）
C
2
噪声增益
1/(2πR
1
|| R
2
(C
1
+ C
2
))
区域3
(b)
f
p
f
z
登录F
区域1
区域2
图9.噪声和开关信号响应
集成商。
从光电检测器的输入信息。实时
溶液在带宽由所选择的放大器的限制，
放大器的稳定时间，和所要求的反馈
电容和电阻（C
2
和R
2
） 。另外，一个滤波器是
通常使用以下的阻器的输出
放大器进一步降低高频噪音较大。
这种方法是最适合于低和中等带宽
应用场合有关的幅度信息和
输入信号的形状是重要的。该设计的问题是
因为噪声和频带 - 之间的权衡复杂
宽度和运算放大器的选择的丰度。此外，该
电容和电阻的精度要求使这个DE-
登录困难，有时制造昂贵的
生产环境。
噪声分析
- 开关积分放大器
其中，传统的跨导传递函数是
由反馈电阻器R为主
2
时，切换集成
其中积分时间等于所需的时间量BE-
吐温样品。
如果该比率小于10
6
（法拉/秒），则ACF2101可
松精度的输出。只要有可能，在内部
电容应与ACF2101被用来确保更大
增益和线性精度。图9是用于评价
运算放大器的噪声贡献，由获得反馈
网络的ACF2101和光电二极管的。在这里，复位
开关（S
2
如示于图3）被建模为
无噪声的电阻器（R
2
） 。 S的典型电阻
2
中，当它
是开放的，是1000GΩ 。交换积分， ACF2101 ，有
内部反馈电容C
2
，100pF电容的。可在用户
选择使用内部的外部电容器来代替
电容提供。典型值的范围可以高达2000pF 。
如果一个外部电容器被使用时，必须小心选择
积分电容器具有低电压系数，
温度系数，存储器，和泄漏电流。 Suit-
能类型包括NPO陶瓷，聚碳酸酯， polysty-
刘若英，银云母。
运算放大器和反馈的总噪声的贡献
交换积分器的网络等效于
5
QQ：2881677436 复制
