Помогите разобраться, что является ограничивающим фактором по уровню шума в этой аналоговой схеме оптрона

Я пытаюсь построить схему, которая принимает аналоговый сигнал {-10V... +10V} и выводит такое же напряжение {-10V... +10V}, но гальванически изолированное от входа. Идея похожа на идею цифровых оптронов, но вместо этого для аналоговых сигналов. Моя цель состояла бы в том, чтобы иметь полосу пропускания слабого сигнала около 10 кГц и плотность шума напряжения менее 200 нВ/√Гц (при 1 кГц) на выходе.

Пока у меня есть следующая схема, и я пытаюсь понять, почему шум такой высокий:

Схема основана на микросхеме аналоговой оптопары HCNR201 . Этот чип в основном представляет собой светодиод с двумя согласованными фотодиодами внутри, и с помощью обратной связи, подаваемой на светодиод (используя операционный усилитель U2) для регулирования света, падающего на входной фотодиод, также следует выходной ток фотодиода. Затем стандартный трансимпедансный усилитель (U4) преобразует фототок выходного фотодиода обратно в напряжение. Такое расположение позволяет компенсировать нелинейность и влияние температуры светодиода, и впервые было описано здесь . Я создал «каскад аналогового изолятора», показанный выше, на этой оценочной плате HCNR201 от Broadcom .

Теперь чип не так хорошо работает при низких токах фотодиода и поэтому не может надежно снизить напряжение до нуля вольт. Чтобы обойти это, я добавил дополнительные операционные усилители для масштабирования сигнала. Вход сначала масштабируется от {-10В до +10В} до диапазона {+1В до +8В}, который хорошо обрабатывается оптопарой. После этого выходной каскад просто масштабирует его до исходного диапазона.

Для тестирования я построил схему на заказной печатной плате, и масштабирование, кажется, работает хорошо, как можно увидеть в моделировании переходных процессов и измерении ниже:

Проблема в том, что шум на выходном сигнале слишком высок. Расчет LTSpice предсказывает значение шума на частоте 1 кГц, равное 2,2 мкВ/√Гц. Чтобы проверить это, я замкнул вход на землю и измерил спектр шумов на выходе (схема питалась от батарей +9В и -9В, а напряжения смещения также были получены от батарей, чтобы быть как можно более чистыми). Я действительно измеряю именно то, что предсказал расчет, что дает мне уверенность в том, что все используемые модели LTSpice верны:

Я не могу понять, что ограничивает этот уровень шума или как уменьшить его ближе к моей цели менее 200 нВ/√Гц (на 1 кГц). Это сам аналоговый оптопара (неужели фотодиоды и светодиоды действительно вызывают столько шума?), или это мои окружающие операционные усилители, или это взаимодействие между ними? Теперь я застрял в том, как продолжить выяснение того, откуда исходит основная часть шума ...

Примечания:

Используются операционные усилители OP1177 , которые имеют плотность входного напряжения и тока шума на частоте 1 кГц 7,9 нВ/√Гц и 0,2 пА/√Гц соответственно. Я пытался поддерживать значения резисторов относительно низкими, но не думаю, что они вызывают наблюдаемый шум 2,2 мкВ/√Гц. Я также пытался напрямую заменить HCNR201 на аналогичный IL300 . При этом я наблюдал точно такой же уровень шума. Я не верю, что это сам чип HCNR201, потому что уровень шума оценочной платы составляет около 100 нВ/√Гц, поэтому я думаю, что это как-то связано с моей внешней схемой.

РЕДАКТИРОВАТЬ ------------------------------------------------- -------------------------

Брюс Эббот предположил, что это может быть оптрон, который ограничивает эту схему, потому что он попытался заменить оптрон идеальным управляемым источником тока в SPICE и увидел, что шум значительно уменьшился.

Однако, чтобы проверить, чего можно добиться с помощью этого чипа, я также измерил производительность оценочной платы HCNR201 . Вот схема и имитация этой платы (я использовал операционный усилитель AD8627, потому что он имеет меньший ток шума, чем тот, что используется на плате), и измеренный спектр шума для входного сигнала 0,1 В постоянного тока:

Можно видеть, что предсказание LTSpice 100 нВ/√Гц согласуется с измерением. Это достаточно мало для моего приложения и дает мне уверенность, что аналоговая оптронная пара может справиться с этой задачей. Это заставляет меня думать, что это может быть как-то связано с моей внешней схемой масштабирования?