无烦恼,高增益构建具有纳伏级灵敏度的低噪声仪表放大器详解.PDF

无烦恼，高增益：构建具有纳伏级灵敏度的低噪声 仪表放大器 作者：Moshe Gerstenhaber 、Rayal Johnson 和Scott Hunt 简介 构建具有纳伏级灵敏度的电压测量系统会遇到很多设计挑战。 佳的40 nV p-p噪声 （0.1 Hz至10 Hz）性能，在极小信号下具有 目前最好的运算放大器（比如超低噪声AD797 ）可以实现低于1 高信噪比。两个额外的引脚可让设计人员改变增益或增加滤波 nV/ Hz 的噪声性能(1 kHz) ，但低频率噪声限制了可以实现的噪 器来降低噪声带宽。这些滤波器引脚还提供了降低噪声的独特 声性能为大约50 nV p-p （0.1 Hz至10 Hz频段内）。过采样和平 方法。 均可以降低宽带噪声的rms贡献，但代价是牺牲了更高的数据速 率，且功耗较高，但过采样不会降低噪声频谱密度，同时它对 使用多个AD8428 仪表放大器降低系统噪声 1/f区内的噪声无影响。此外，为避免来自后级的噪声贡献，就 图 1 显示的电路配置可进一步降低系统噪声。四个AD8428 的 需要采用较大的前端增益，从而降低了系统带宽。如果没有隔 输入和滤波引脚互相短接，降低噪声至原来的二分之一。 离，那么所有的接地反弹或干扰都会出现在输出端，并有可能 可以使用任意一个仪表放大器的输出来保持低输出阻抗。此电路可 破坏放大器及其输入信号的低内部噪声的局面。表现良好的低 以扩展从而降低噪声，降低的倍数为所用放大器数的平方根。 噪声仪表放大器可以简化设计，并降低共模电压、电源波动和 温度漂移引起的残留误差。 电路如何降低噪声 低噪声仪表放大器AD8428提供 2000 精确增益，具备解决这些 每一个AD8428 产生1.3 nV/ Hz折合到输入(RTI)的典型频谱噪 问题所必须的一切特性。AD8428 具有5 ppm/°C最大增益漂移、 声，该噪声与其他放大器产生的噪声不相关。不相关的噪声源 0.3 μV/°C最大失调电压漂移、140 dB最小CMRR至60 Hz （120 dB 以方和根(RSS)的方式叠加到滤波器引脚。另一方面，输入信号 最小值至50 kHz）、130 dB最小PSRR和3.5 MHz带宽，适合低 为正相关。每一个AD8428 都响应信号在滤波器引脚上生成相同 电平测量系统。 的电压，因此连接多个AD8428 不会改变电压，增益保持为2000 。 最引人注目的是该器件的1.3 nV/ Hz 电压噪声(1 kHz)和业界最 图1. 使用四个AD8428 仪表放大器的降噪电路 模拟对话 49-05 ，2015 年5 月 /zh/analogdialogue 1 使用额外的放大器之后，滤波器引脚处的阻抗发生改变，进一 噪声分析 步降低噪声。例如，如图1 所示使用四个AD8428 ，则前置放大 针对图2 电路简化版本的分析表明，将两个AD8428 以此方式连 器输出端到滤波器引脚之间的6 kΩ电阻后接三个6 kΩ电阻， 接可以降低噪声，降低的倍数为 2 。每一个AD8428 的噪声都 分别连接每一个无噪声前置放大器的输出端。这样便有效地创 可以在+IN引脚上建模。为了确定总噪声，可以将输入接地，并 建了6 kΩ/2 kΩ 电阻分频器，将噪声进行四分频处理。因此，正 使用叠加来组合噪声源。 如预测的那样，四个放大器的总噪声便等于en/2 。 噪声源en1 经200 差分增益放大，并到达前置放大器A1 的输出端。 就这部分的分析而言，输入接地时，前置放大器 A2 的输出端无