利用自動(dòng)歸零噪聲濾波器降低儀表放大器的輸出噪聲

引言

儀表放大器通常用于在高共模電壓場(chǎng)合放大一個(gè)小的差分信號(hào)，有些應(yīng)用要求高精度放 大器具有超低失調(diào)和漂移、低增益誤差和高共模抑制比(CMRR)。

本文建議設(shè)計(jì)人員考慮 使用自動(dòng)歸零放大器來達(dá)到上述應(yīng)用的要求。 自動(dòng)歸零放大器具有低電壓失調(diào)、漂移，提供較高的增益和共模抑制比。但這類放大器有一個(gè)缺點(diǎn)：在自動(dòng)歸零頻率及其倍頻上存在明顯的噪聲。自動(dòng)歸零頻率位于典型儀表 放大器的有效帶寬以外。有些應(yīng)用中，儀表放大器的輸出直接連接到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，這些噪聲會(huì)直接影響系統(tǒng)的性能。 本應(yīng)用筆記介紹了一種簡(jiǎn)單的濾波技術(shù)，用來降低自動(dòng)歸零噪聲，能夠以最少的外圍元件配合自動(dòng)歸零儀表放大器實(shí)現(xiàn)一個(gè)新穎的間接電流反饋架構(gòu)。

儀表放大器的典型應(yīng)用

儀表放大器在醫(yī)療系統(tǒng)中最流行的一種應(yīng)用是心電監(jiān)護(hù)儀(ECG)，這種監(jiān)護(hù)儀利用與人體皮膚相接觸的傳感器監(jiān)測(cè)心率。ECG 傳感器成對(duì)使用，檢測(cè)非常弱的差分信號(hào)，通常只有幾百微伏到幾個(gè)毫伏，并伴隨有較大的失調(diào)電壓。例如，病人的左、右臂之間的失 調(diào)電壓可能達(dá)到200mV。差分交流信號(hào)通過具有高直流共模抑制比的儀表放大器放大， 放大電路還采用了高通濾波器，以消除不同傳感器所產(chǎn)生的不同直流成分。

由于儀表放大器通常放置在整個(gè)放大鏈路的第一級(jí)，要求具備高輸入阻抗和高CMRR。另外，由于輸入差分信號(hào)處于亞毫伏級(jí)，放大器需要在標(biāo)準(zhǔn)的0.05Hz 至150Hz 帶寬內(nèi)提 供高增益。整個(gè)模擬鏈路的增益通常在1000 倍，因此，第一級(jí)儀表放大器的增益最好 在20 至100 范圍內(nèi)。考慮到高增益的需求，必須盡可能降低輸入失調(diào)電壓(VOS)，以確 保足夠的輸出動(dòng)態(tài)范圍。

抑制鄰近設(shè)備及電力線的50Hz/60Hz 噪聲是ECG 設(shè)計(jì)的基本要求，因此，儀表放大器在 50Hz/60Hz 頻率處具有高CMRR 和電源抑制比(PSRR)成為一個(gè)影響設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。最 后，帶有關(guān)斷功能的低功耗器件也是許多便攜式ECG 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本需求。

間接電流反饋架構(gòu)

作為一種新型儀表放大器，Maxim 擁有專利的間接電流反饋架構(gòu)*與傳統(tǒng)的三運(yùn)放架構(gòu) (圖1)相比具有一些重要優(yōu)勢(shì)。關(guān)于間接電流反饋架構(gòu)的詳細(xì)內(nèi)容，請(qǐng)參考Maxim 網(wǎng)站。



圖1. 傳統(tǒng)的三運(yùn)放儀表放大器結(jié)構(gòu)，虛線內(nèi)的電阻是器件的外部電阻。

圖2 是MAX4209 采用的新型間接電流反饋架構(gòu)。



圖2. MAX4209 間接電流反饋儀表放大器

圖2 中的A 和B 分別是兩個(gè)跨導(dǎo)放大器，從它們的差分輸入電壓產(chǎn)生輸出電流，并對(duì)共模輸入信號(hào)進(jìn)行抑制。C 為高增益放大器，通過R1 和R2 提供負(fù)反饋。負(fù)反饋環(huán)路強(qiáng)制放大器A 和B 的兩個(gè)差分輸入端相等。因此，放大器輸出和差分輸入VIN 的關(guān)系如下：

VOUT = VIN × (1 + R2/R1)

其中：

VIN = VIN+ - VIN-