Helfen Sie herauszufinden, was der begrenzende Faktor für den Rauschpegel in dieser analogen Optokopplerschaltung ist

Ich versuche, eine Schaltung aufzubauen, die ein analoges Signal von {-10 V ... +10 V} aufnimmt und dieselbe Spannung von {-10 V ... +10 V} ausgibt, jedoch galvanisch vom Eingang getrennt ist. Die Idee ähnelt der von digitalen Optokopplern, jedoch für analoge Signale. Mein Ziel wäre eine Kleinsignalbandbreite von etwa 10 kHz und eine Spannungsrauschdichte von weniger als 200 nV/√Hz (bei 1 kHz) am Ausgang.

Ich habe bisher die folgende Schaltung und versuche zu verstehen, warum das Rauschen so hoch ist:

Die Schaltung basiert auf dem analogen Optokoppler- Chip HCNR201. Dieser Chip ist im Grunde eine LED mit zwei aufeinander abgestimmten Fotodioden im Inneren, und durch die Verwendung einer Rückkopplung, die an die LED angelegt wird (unter Verwendung des Operationsverstärkers U2), um das auf die Eingangsfotodiode fallende Licht zu regulieren, folgt auch der Ausgangsstrom der Fotodiode. Ein Standard-Transimpedanzverstärker (U4) wandelt dann den Fotostrom von der Ausgangsfotodiode zurück in eine Spannung. Diese Anordnung ermöglicht die Kompensation von Nichtlinearitäten und Temperatureinflüssen der LED und wurde hier erstmals beschrieben . Die oben gezeigte "analoge Trennstufe" habe ich auf diesem HCNR201 Evaluation Board von Broadcom aufgebaut .

Jetzt funktioniert der Chip bei niedrigen Fotodiodenströmen nicht so gut und kann daher nicht zuverlässig auf null Volt heruntergehen. Um dies zu umgehen, habe ich zusätzliche Operationsverstärker hinzugefügt, um das Signal zu skalieren. Der Eingang wird zunächst von {-10V ... +10V} in einen Bereich {+1V ... +8V} skaliert, der vom Optokoppler gut verarbeitet werden kann. Danach skaliert ihn eine Ausgangsstufe einfach wieder auf den ursprünglichen Bereich zurück.

Zum Testen habe ich die Schaltung auf einer benutzerdefinierten Leiterplatte aufgebaut, und die Skalierung scheint gut zu funktionieren, wie in der Transientensimulation und der Messung unten zu sehen ist:

Das Problem ist, dass das Rauschen des Ausgangssignals zu hoch ist. Eine LTSpice-Berechnung sagt einen Rauschwert bei 1 kHz von 2,2 µV/√Hz voraus. Um dies zu testen, habe ich den Eingang mit Masse kurzgeschlossen und das Rauschspektrum des Ausgangs gemessen (wobei die Schaltung von +9V- und -9V-Batterien gespeist wurde und die Vorspannungen auch von den Batterien abgeleitet wurden, um so sauber wie möglich zu sein). Ich messe tatsächlich genau das, was durch die Berechnung vorhergesagt wurde, was mir die Gewissheit gibt, dass alle verwendeten LTSpice-Modelle korrekt sind:

Ich kann nicht herausfinden, was diesen Rauschpegel begrenzt oder wie ich ihn näher an mein Ziel von weniger als 200 nV / √Hz (bei 1 kHz) reduzieren kann. Ist es der analoge Optokoppler selbst (können die Fotodioden und die LED wirklich so viel Rauschen verursachen?), Oder sind es meine umgebenden Operationsverstärker, oder ist es das Zusammenspiel zwischen den beiden? Jetzt weiß ich nicht mehr, woher der Großteil des Rauschens kommt...

Anmerkungen:

Die verwendeten Operationsverstärker sind der OP1177 , der Eingangsspannungs- und Stromrauschdichten bei 1 kHz von 7,9 nV/√Hz bzw. 0,2 pA/√Hz hat. Ich habe versucht, die Widerstandswerte relativ niedrig zu halten, glaube aber nicht, dass diese das beobachtete Rauschen von 2,2 µV/√Hz verursachen. Ich habe auch versucht, direkt den HCNR201 gegen den ähnlichen IL300 zu tauschen . Dabei beobachtete ich genau den gleichen Geräuschpegel. Ich glaube nicht, dass es am HCNR201-Chip selbst liegt, da der Rauschpegel des Evaluierungsboards bei etwa 100 nV/√Hz liegt, und ich denke daher, dass es etwas mit meiner externen Schaltung zu tun hat.

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Es wurde von Bruce Abbot vorgeschlagen, dass es der Optokoppler sein könnte, der diese Schaltung begrenzt, weil er versuchte, den Optokoppler durch eine ideal steuerbare Stromquelle in SPICE zu ersetzen, und sah, dass das Rauschen erheblich reduziert wurde.

Um jedoch zu testen, was mit diesem Chip erreicht werden kann, habe ich auch die Leistung des HCNR201-Evaluierungsboards gemessen . Hier ist der Schaltplan und eine Simulation dieser Platine (ich habe den AD8627-Operationsverstärker verwendet, weil er einen geringeren Stromrauschen hat als der tatsächlich auf der Platine verwendete) und ein gemessenes Rauschspektrum für ein 0,1-V-DC-Eingangssignal:

Es ist ersichtlich, dass die LTSpice-Vorhersage von 100 nV/√Hz mit der Messung übereinstimmt. Dies ist niedrig genug für meine Anwendung und gibt mir die Gewissheit, dass der analoge Optokoppler in der Lage sein könnte, die Aufgabe zu erledigen. Das lässt mich denken, dass es etwas mit meiner externen Skalierungsschaltung zu tun haben könnte?