低频低噪声放大器板（实验拆解）

有时，人们可能需要测量频率略高于直流的微弱信号的频谱成分。

你可能会问：微弱到什么程度？
好吧，我为这个项目设定的目标是清晰地测量一个50欧姆电阻的热噪声（室温下1Hz测量带宽时约为0.9nV RMS），以此确保未来能够测量可能遇到的各种设备输出（或许是音频放大器？）。

您可能不知道的是，直接使用频谱分析仪测量这个50欧姆电阻的热噪声实际上并不可行。即使是罗德与施瓦茨（Rohde & Schwarz）顶级的FSW系列频谱仪，在千赫兹频段附近使用1Hz分辨率带宽时，其标称的显示平均噪声电平（DANL，即仪器的本底噪声）也在71nV至224nV RMS之间（对应-130dBm至-120dBm）。

更重要的是，市面上所有覆盖低频至高频的频谱分析仪都不支持直流输入！虽然最常见的解决方案是使用直通式直流阻断适配器，但这些适配器通常带有截止频率为数百赫兹的低通滤波器... 那么真正的解决方案是什么？

我的方案是：基于低输入噪声运算放大器构建的简单放大电路，并在其输出端设置限幅电路。

设计要求

有人可能会提出疑问：限幅电路并不能消除放大器输出的直流分量。

这显然没错，但与我所使用的Signal Hound SA44B频谱仪设计团队的邮件沟通后，我了解到最高200mV的直流分量实际上是可接受的。
因此放大器的设计要求调整为：

直流至<1MHz带宽
（可调式）输出限幅
输入噪声尽可能低
增益足够大，使输出频谱噪声电平高于SA44B的本底噪声（DANL）
最令我惊讶的是，SA44B的校准证书显示其在60Hz处的本底噪声电平竟达到-139.3dBm/Hz！

设计

设计的电路结构较为简洁：

基于运算放大器的电压增益为101倍的放大电路
采用高保真、低噪声音频运算放大器作为电压缓冲器
配置两个开漏输出比较器，将放大后的电压与预设阈值进行比较
通过比较结果控制SPST（单刀单掷）开关的使能端
为最大限度降低系统噪声，整个电路采用两节9V电池供电，并通过DPDT（双刀双掷）开关实现电路板的电源通断控制。
值得注意的是，由于本设计针对50Ω系统，101倍的电压增益实际等效于50.5倍的功率增益（34dB），这是因为最终输出缓冲级配置了等效50Ω的负载电阻。

所选运算放大器

最终选择ADI公司的LT1028运算放大器，因其卓越的性能参数：

典型输入噪声电压：1nV/sq(Hz)
典型输入噪声电流：1pA/sq(Hz)
增益带宽积：50MHz

通过计算可知，LT1028的1nV/sq(Hz)输入噪声经50.5倍增益后，等效输出噪声为50.5nV/sq(Hz)（即-133dBm），高于SA44B的-139.3dBm本底噪声。需要说明的是，此处我忽略了LT1028输出端电压缓冲级产生的噪声贡献（其相对较低）。

在运放选型阶段，ADA4898也曾被考虑。由于它的封装尺寸与LT1028完全兼容，我计划在最终测试时尝试进行替换验证。

最后值得指出的是，市场上确实存在输入噪声更低的运算放大器... 但其性能优势通常不适用于千赫兹以下的低频段（参见此处相关资料）。有趣的是，这类运放虽然具有比LT1028更高的增益带宽积，但同时也伴随着较大的输入失调电压——该失调电压会被设定的增益倍数放大（而这正是我们极力避免的）。

电压缓冲级——高保真运算放大器

选用德州仪器的 OPA1622 是为了使该器件能够在输出端驱动 50R+50R 的负载。它在 1kHz 时仅具有 3nV/√Hz 的输入电压噪声密度，并且能够输出超过 100mA 的电流。最初的计划是利用其使能输入端实现限幅功能，但与德州仪器的工程师进行长时间沟通后得出结论：这实际上不可行。

限幅电路

设计中耗时最长的部分可能要数这个保护电路。简而言之，当LT1028的输出电压高于或低于两个电位器设定的电压时，比较器输出会被拉至-9V，此时ADG1401将切断OPA1622输出端与设备输出端的连接。

R9和C6用于延长禁用状态的持续时间，D3防止ADG1401的使能输入端电压低于0V，D1则用于指示削波状态的发生。

由R8、R10和Q1组成的电路确保当设备仅存在正电源轨时禁用输出，因为U3在负电源轨缺失时无法正常工作。

最后需要特别说明的是：在本设计中，当使用50Ω终端负载时，通过电位器设定的比较电压值为实际输出削波电压的两倍（通过电位器分压实现1:2的衰减关系）。

Layout

如你所见，这块四层PCB布局非常紧凑...且尺寸相当小巧：60*20mm。虽然设备不需要处理高频信号，但保持传输线短仍然是良好的设计实践。你会注意到板底设计了测试点，这些测试点专门用于测量当前的正/负比较电压（建议使用接地弹簧探头进行测量）。

补充说明：

四层板结构建议采用经典分层：顶层信号层、内电层1（GND）、内电层2（电源）、底层信号层；
关键信号路径（如比较器输出至ADG1401控制端）应保持直线走线，避免90°拐角；
测试点周围建议预留局部铺铜区域，通过过孔阵列连接至内电层GND平面，以提供良好的高频测试参考地；
对于高精度比较电路部分，推荐采用星型接地架构以降低地弹噪声。

The Case

针对本项目，我专门设计了一款（价格不菲的）铝合金机箱（由PCBWay加工），箱体预留了SMA连接器的螺纹安装孔和拨动开关的开孔。如上图所示，我甚至使用了热界面材料以确保TI电压缓冲器与机箱间的导热接触。
SMA连接器通过大量焊锡与PCB牢固连接，而两块9V电池则完美嵌入专用卡槽。顶盖采用Trotec层压板制作并由本人亲自加工，为好奇的观察者提供了设备的基本信息。
此外，导光管的设计使得绿色电源LED和红色削波指示灯的亮度清晰可见。

技术注释 - 简化逻辑与实用技巧
在讨论噪声时，需特别注意术语的准确性。为保持内容完整，特此补充以下几点说明（可视为技术要点速记）：

噪声叠加原理：无关（热）噪声的叠加并非简单将RMS值相加，而是功率相加。若需快速估算，可借助专用计算工具。
50Ω系统测量：所有标称50Ω的系统均需在输入端接50Ω终端。"测量50Ω电阻热噪声"本质需分两步：一次将频谱仪输入端短路接地，另一次保持输入端开路（假设放大器输入电流噪声足够小）。
噪声基底考量：对于噪声基底-130dBm的频谱仪，理论上可观测到50Ω热噪声贡献，但实际显示值仍接近-130dBm。
带宽说明：为避免混淆，前文所有测量均采用1Hz带宽。若使用更宽带宽，需引入平方根修正系数。
平均模式陷阱：使用频谱仪平均功能时需谨慎——若采用"对数功率平均"，显示噪声会降低2.51dB；若采用RMS平均则无需修正。

测试验证
让我们验证电路是否按预期工作...

静态功耗测试
设备实际工作电流多大？
测试配置：使用双通道电源直接为两个9V输入端供电，记录电源电流读数。
结果：正电源15mA，负电源16mA
备注：该读数无需绝对精确，因实际功耗主要取决于使用状态。但据此可估算电池续航：以正在使用的劲量终极锂电池为例，理论续航约47小时。

输出失调电压测试
输入悬空时输出端直流分量是多少？
测试配置：设备输入端悬空（内部已接50Ω终端），用万用表测量输出电压。
结果：输出端0mV，表现惊艳！

上电削波测试
设备启动时是否存在异常瞬态？
测试配置：将削波电压设为±500mV（对应电位器±1V），关闭设备后输入±20mV安全直流电压（对应50Ω负载下±1V理论输出），以不同顺序启停正/负电源，观察示波器触发情况（先正后负触发设置）。

*输入+20mV时*
场景1：设备关闭，先启用+9V正电源 → 输出无变化，+9V端电流21mA，20mV端电流0mA
场景2：设备关闭，先启用-9V负电源 → 输出无变化，-9V端电流26mA，20mV端电流9mA
场景3：负电源-9V已启用，再启用+9V正电源 → 输出端观测到20mV脉冲

场景4：正电源+9V已启用，再启用-9V负电源 → 输出端无变化

场景5：随机拨动电源开关 → 输出端观测到800ns 4V脉冲

输入为 - 20mV 时：
场景 1：设备关闭，启用 + 9V 正电源：输出无变化，+9V 电源消耗 21mA 电流，20mV 端消耗 0mA 电流。
场景 2：设备关闭，启用 - 9V 负电源：输出无变化，-9V 电源消耗 28mA 电流，-20mV 端电压变为 - 0.17V。
场景 3：负电源为 - 9V，启用 + 9V 正电源：输出端出现 - 900mV 脉冲。

放大查看瞬态过程：

场景 4：正电源为 + 9V，启用 - 9V 负电源：输出无变化。
场景 5：随机切换开关：输出端出现 800 ns的 4V 脉冲。

断电限幅测试
设备关闭时是否出现异常现象？
测试配置：输出限幅电压设为±500mV（通过微调电位器设置为±1V），输入直流电压为±20mV（假设在50Ω负载下输出为±1V）。测试中按不同顺序断开正/负电源轨，示波器触发模式依次设置为正电压触发和负电压触发。

场景1：设备开启时断开正电源→ 输出无变化
场景2：设备开启时断开负电源 → 输出无变化
场景3：负电源已断开，正电源轨保持+9V时断开正电源 → 输出无变化
场景4：正电源已断开，负电源轨保持-9V时断开负电源 → 输出无变化
场景5：操作开关 → 输出无变化

将输入电压改为-20mV后重复测试：

场景1：设备开启时断开正电源 → 输出无变化
场景2：设备开启时断开负电源 → 输出无变化
场景3：负电源已断开，正电源保持+9V时断开正电源 → 输出无变化
场景4：正电源已断开，负电源保持-9V时断开负电源 → 输出无变化
场景5：操作开关 → 输出无变化

限幅速度测试
限幅电路的响应时间有多快？
测试配置：输出限幅电压设为±500mV（通过微调电位器设置为±1V），使用信号发生器生成一个从0跳变至±60mV的脉冲（若无限幅，此输入应产生0→±3V的输出）。

结果：输出端观测到持续约900ns 的正脉冲，其最大幅值约为±4V。只要幅值低于仪器的最大交流额定值，此现象不会造成问题。
正脉冲限幅输出示例：

蓝色：设备输入信号
黄色：设备输出信号
青色：LM293（U3）输出
洋红色：ADG1401 切换输入

对最后的禁用过渡阶段进行放大观察

负脉冲时的限幅输出：

蓝色：设备输入信号

黄色：设备输出信号
青色：LM293（U3）输出
品红色：ADG1401切换输入

放大观察最终的禁用过渡过程：

在不同阈值下的限幅测试中，观察到如下现象：

测试目的：
探讨在提高限幅电压时，输出信号被切断的时间是否会延长。

测试设置：

输出限幅电压设置为不同电压值。
使用信号发生器产生 0 至 ±80mV 的脉冲信号。
若无限幅，预期在 50Ω 负载下输出为 0 至 ±4V。

测试结果：
在输出端观察到长度为 0.8 微秒至 2 微秒的正向脉冲。只要其最大幅度（约 ±4V）低于仪器的最大交流额定值，这些脉冲不会造成问题。

- 蓝色：设备输入信号
- 黄色：设备输出信号

三角波限幅测试
当输入三角波信号时，限幅效果如何？

设置：
输出限幅电压设置为±1.5V（微调电位器设为±3V），我们使用信号发生器产生一个峰峰值为70mV的三角波形，若无限幅，预期在50Ω负载下输出为±3.5V。

结果：
输出确实在预期电压处被限幅，并包含前述测试中观察到的脉冲。

- 青色：设备输入信号
- 黄色：设备输出信号

对于10Hz输入信号：
当输入频率为10Hz时，输出波形显示明显的限幅效果，输出电压被限制在±1.5V以内，波形顶部和底部被平坦化，形成典型的削波形状。

对于100赫兹的输入信号：

对于1KHz的输入信号：

对于10KHz的输入信号：

在上述示波器截图中，可以观察到 RC 电路对限幅时间的影响，确实延长了削波持续时间。

限幅电路 RC 测试

测试目的：
验证延迟关闭电路的效果。

背景：
如前所述，当限幅电路触发时，设备输出端总会出现一个小脉冲。由于该脉冲的存在，人们可能会怀疑是否可能在设备输出端生成高于设定限幅电压的直流值。然而，这是不可能的，因为在比较器的输出端存在一个 RC 电路。

测试方法：
为了展示其效果，我们输入一个低电平接近设定限幅电压的方波，并注意到随着频率的升高，输出占空比发生变化。

设置：

输出限幅电压设置为 ±2V（微调电位器设为 ±4V）
使用信号发生器产生一个峰峰值为 40mV、偏置为 60mV 的方波

波形颜色说明：

青色：设备输入信号
黄色：设备输出信号

对于 10Hz 输入信号：
当输入频率为 10Hz 时，输出波形显示明显的限幅效果，输出电压被限制在 ±2V 以内，波形顶部和底部被平坦化，形成典型的削波形状。

对于100Hz的输入信号：

对于500Hz的输入信号：

在700Hz频率下，设备输出被完全禁用，这表明“禁用电路”的时间常数约为1/700/2 = 0.7毫秒。

为了进一步了解其行为，进行了以下捕获：

- 青色：设备输入信号
- 黄色：设备输出信号
- 蓝色：LM293（U3）输出
- 品红色：ADG1401开关输入
在这里可以观察到两个有趣的现象：
- 在两个垂直光标之间：D3二极管防止ADG1401输入端电压变为负值
- 在最后一个垂直光标与输出使能之间：ADG1401输入电压达到Vih并且加上ADG1401使能延迟所需的时间
实际应用测试

确保符合SA44B最大200mV输入规格

这个放大-限幅电路的设计目的是为了保护SA44B频谱分析仪的输入端。虽然该输入端的最大直流电压额定值是0V，但通过与Signal Hound工程团队的邮件沟通，得知实际上直流电压高达200mV是可以接受的。因此，下面的测试旨在模拟实际应用场景。

测试设置：
- 输出限幅电压设为±100mV（微调电位器设为±200mV）
- 使用信号发生器产生一个80mV峰峰值的三角波形，输出端串联一个26dB衰减器：
测试结果：

如上所示，限幅器仍按预期工作！

1kHz正弦测试
如果我输入正弦波，是否能得到放大的正弦波？
实验设置：我们将信号发生器配置为输出60mVpp（-20.45dBm）峰峰值的正弦波信号，然后衰减26dB。将放大器输出连接到频谱分析仪，预计会得到-20.45-26+34 = -12.45dBm的信号。
结果：得到如下频谱。我们注意到存在1dB的差异，这很可能是由于所使用的20年历史的信号发生器（Stanford DS335）不够精确所致。

增益与噪声频谱测量
我们能否实际测量热噪声？
该放大器的核心目标是在添加最少噪声的同时放大微弱信号。因此，我们希望测量其输入短路（shorted）、50Ω短路（50R-shorted）或开路（open）时，放大器输出端的噪声频谱，最终与频谱分析仪的输入噪声进行对比。

实验设置：
使用可靠的电池供电放大器，直接连接至 Signal Hound SA44B 频谱分析仪，再接入 Bode 100 网络分析仪。禁用杂散抑制功能（需关闭此功能以在低输入功率下获得精确测量）。

结果：

可信的Bode 100网络分析仪测得增益为34dB（即50.12倍！），3dB截止频率约为600kHz。
在输入0Ω短路条件下，1kHz频点处（分辨率带宽1Hz）的噪声功率为-134.3dBm（甚至低于高端R&S FSW频谱分析仪的显示平均噪声电平DANL！），对应43纳伏有效值（RMS）。将此值除以50.12倍增益，得到输入参考噪声0.86纳伏，实际低于LT1028运放标称的输入噪声值！

400kHz处的噪声上升

有人可能会问：为何上述频谱中400kHz处噪声会上升？答案藏在LT1028数据手册中：

验证25Ω电阻的噪声贡献
这一现象非常精妙：在0Ω/50Ω/开路测试案例中，实际观测到输入阻抗增加导致的噪声频谱上升！考虑到运放输入端采用50Ω端接，0Ω/50Ω/开路三种情况下输入阻抗的差异实际为25Ω。

在23℃时，25Ω电阻的有效值（RMS）电压噪声为 0.000639275μV。若将此值乘以有效增益50.5倍，则得到 0.0323μV RMS（即 -136.81dBm）。

0Ω输入条件下，1kHz频点（分辨率带宽1Hz）的噪声功率为 -134.3dBm。若叠加25Ω热噪声（-136.81dBm），理论结果为 -132.4dBm，与实测的50Ω输入条件噪声功率 -132.8dBm 非常接近！有趣的是，使用另一款SMA 50Ω端接器时，我实测到了 -133dBm…
类似地，将25Ω热噪声（-136.81dBm）与50Ω输入的实测值（-132.8dBm）叠加，理论结果为 -131.35dBm，与开路条件下的实测值 -131.65dBm 也十分接近！需注意，-131.65dBm对应 58nV RMS…

与ADA4898的对比

我们还进行了另一组实验：将LT1028替换为ADA4898，以对比两款集成电路的噪声与增益性能：

关于ADA4898与LT1028的对比结论，我将留待您自行判断：

两款运放在50kHz以下频段的输入噪声水平相近。
但超过50kHz后：

LT1028的输入噪声开始上升，但其增益保持稳定；
ADA4898的增益则逐渐下降。

需注意的是，本次测试中每款运放仅使用单一样本，因此不同批次或个体可能存在性能差异。

实际观测结果总结

实验室电源的输出也含噪声！

若观察上方示波器截图（使用我的普源精电Rigol DP821A电源拍摄），您会发现：通过隔直模块和放大器的组合，原本无法观测的电源开关纹波（PSU switching ripple）得以清晰显现。

测试结论

测试虽繁，但不可少
尽管进行了大量测试，但我认为这是必要的——任何疏漏都可能导致频谱分析仪损坏！以下是本次测试的核心结论：

限幅器电路功能符合预期，但触发时会在输出端产生短脉冲。若将放大器输出接入SA44B频谱分析仪，建议添加3dB衰减器，以确保3.8V脉冲（<22dBm）不超过设备的最大输入功率限制（20dBm）。
设备增益为34dB，其-0.1dB截止频率为375kHz，-3dB截止频率为600kHz。