無(wú)煩惱，高增益： 構(gòu)建具有納伏級(jí)靈敏度的低噪聲儀表放大器

　　簡(jiǎn)介

　　構(gòu)建具有納伏級(jí)靈敏度的電壓測(cè)量系統(tǒng)會(huì)遇到很多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。 目前最好的運(yùn)算放大器（比如超低噪聲AD797）可以實(shí)現(xiàn)低于1 nV/√Hz的噪聲性能（1 kHz），但低頻率噪聲的本質(zhì)限制了可以實(shí)現(xiàn)的噪聲性能為大約50 nV p-p（0.1 Hz至10 Hz頻段內(nèi)）。 過(guò)采樣和平均可以降低平帶噪聲的rms貢獻(xiàn)，但代價(jià)是犧牲了更高的數(shù)據(jù)速率，且功耗較高，但過(guò)采樣不會(huì)降低噪聲頻譜密度，同時(shí)它對(duì)1/f區(qū)內(nèi)的噪聲無(wú)影響。 此外，為避免來(lái)自后續(xù)級(jí)的噪聲貢獻(xiàn)，就需要采用較大的前端增益，從而降低了系統(tǒng)帶寬。 如果沒(méi)有隔離，那么所有的接地反彈或干擾都會(huì)出現(xiàn)在輸出端，并有可能破壞放大器及其輸入信號(hào)的低內(nèi)部噪聲的局面。 表現(xiàn)良好的低噪聲儀表放大器可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和此類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并降低共模電壓、電源波動(dòng)和溫度漂移引起的殘留誤差。

　　低噪聲儀表放大器AD8428提供2000精確增益，具備解決這些問(wèn)題所必須的一切特性。 AD8428具有5 ppm/°C最大增益漂移、0.3 μV/°C最大失調(diào)電壓漂移、140 dB最小CMRR至60 Hz（120 dB最小值至50 kHz）、130 dB最小PSRR和3.5 MHz帶寬，適合低電平測(cè)量系統(tǒng)。

　　最引人注目的是該器件的1.3 nV/√Hz電壓噪聲（1 kHz）和業(yè)界最佳的40 nV p-p噪聲（0.1 Hz至10 Hz）性能，在極小信號(hào)下具有高信噪比。 兩個(gè)額外的引腳可讓設(shè)計(jì)人員改變?cè)鲆婊蛟黾訛V波器來(lái)降低噪聲帶寬。 這些濾波器引腳還提供了降低噪聲的獨(dú)特方法。

　　使用多個(gè)AD8428儀表放大器降低系統(tǒng)噪聲

　　圖1顯示的電路配置可進(jìn)一步降低系統(tǒng)噪聲。 四個(gè)AD8428的輸入和濾波引腳互相短接，降低噪聲至原來(lái)的二分之一。

　　可以使用任意一個(gè)儀表放大器的輸出來(lái)保持低輸出阻抗。 此電路可以擴(kuò)展從而降低噪聲，降低的倍數(shù)為所用放大器數(shù)的平方根。

　　電路如何降低噪聲

　　每一個(gè)AD8428產(chǎn)生1.3 nV/√Hz折合到輸入（RTI）的典型頻譜噪聲，該噪聲與其他放大器產(chǎn)生的噪聲不相關(guān)。 不相關(guān)的噪聲源以方和根（RSS）的方式疊加到濾波器引腳。 另一方面，輸入信號(hào)為正相關(guān)。 每一個(gè)AD8428都響應(yīng)信號(hào)在濾波器引腳上生成相同的電壓，因此連接多個(gè)AD8428不會(huì)改變電壓，增益保持為2000。

　　圖1. 使用四個(gè)AD8428儀表放大器的降噪電路

　　噪聲分析

　　針對(duì)圖2電路簡(jiǎn)化版本的分析表明，將兩個(gè)AD8428以此方式連接可以降低噪聲，降低的倍數(shù)為√2。每一個(gè)AD8428的噪聲都可以在+IN引腳上建模。 為了確定總噪聲，可以將輸入接地，并使用疊加來(lái)組合噪聲源。

　　噪聲源en1經(jīng)200差分增益放大，并到達(dá)前置放大器A1的輸出端。 就這部分的分析而言，輸入接地時(shí)，前置放大器A2的輸出端無(wú)噪聲。 前置放大器A1每個(gè)輸出端與相應(yīng)前置放大器A2輸出端之間的6 kΩ/6 kΩ電阻分頻器可以采用戴維寧等效電路替代： 前置放大器A1輸出端噪聲電壓的一半以及一個(gè)3 kΩ串聯(lián)電阻。 這部分就是降低噪聲的機(jī)制。 完整的節(jié)點(diǎn)分析表明，響應(yīng)en1的輸出電壓為1000 × en1。 由于對(duì)稱，因此響應(yīng)噪聲電壓en2的輸出電壓為1000 × en2。 en1和en2幅度都等于en，并且將作為RSS疊加，導(dǎo)致總輸出噪聲為1414 × en。

　　圖2. 噪聲分析簡(jiǎn)化電路模型

　　為了將其折合回輸入端，就必須驗(yàn)證增益。 假設(shè)在+INPUT和–INPUT之間施加差分信號(hào)VIN。 A1第一級(jí)輸出端的差分電壓等于VIN × 200。同樣的電壓出現(xiàn)在前置放大器A2的輸出端，因此沒(méi)有分頻信號(hào)進(jìn)入6 kΩ/6 kΩ分頻器，并且節(jié)點(diǎn)分析表明輸出為VIN × 2000。因此，總電壓噪聲RTI為en × 1414/2000，等效于en/√2。使用AD8428的1.3 nV/√Hz典型噪聲密度，則兩個(gè)放大器配置所產(chǎn)生的噪聲密度約為0.92 nV/√Hz。

　　使用額外的放大器之后，濾波器引腳處的阻抗發(fā)生改變，進(jìn)一步降低噪聲。 例如，如圖1所示使用四個(gè)AD8428，則前置放大器輸出端到濾波器引腳之間的6 kΩ電阻后接三個(gè)6 kΩ電阻，分別連接每一個(gè)無(wú)噪聲前置放大器的輸出端。 這樣便有效地創(chuàng)建了6 kΩ/2 kΩ電阻分頻器，將噪聲進(jìn)行四分頻處理。 因此，正如預(yù)測(cè)的那樣，四個(gè)放大器的總噪聲便等于en/2。

　　進(jìn)行噪聲與功耗的權(quán)衡取舍

　　主要的權(quán)衡取舍來(lái)自功耗與噪聲。AD8428具有極高的噪聲-功耗效率，輸入噪聲密度為1.3 nV/√Hz（6.8 mA最大電源電流）。 為了進(jìn)行對(duì)比，考慮低噪聲AD797運(yùn)算放大器——該器件需要10.5 mA最大電源電流來(lái)達(dá)到0.9 nV/√Hz。 一個(gè)分立式G = 2000低噪聲儀表放大器采用兩個(gè)AD797運(yùn)算放大器和一個(gè)低功耗差動(dòng)放大器構(gòu)建，可以使用21 mA以上電流，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)運(yùn)算放大器和一個(gè)30.15 Ω電阻貢獻(xiàn)的1.45 nV/√Hz噪聲RTI性能。

　　除了很多放大器并聯(lián)連接使用的電源考慮因素外，設(shè)計(jì)人員還必須考慮熱環(huán)境。 采用±5 V電源的單個(gè)AD8428因內(nèi)部功耗會(huì)使溫度上升約8°C。 如果很多個(gè)器件靠近放置，或者放置在封閉空間，則它們之間會(huì)互相傳導(dǎo)熱量，需考慮使用熱管理技術(shù)。

　　SPICE仿真

　　SPICE電路仿真雖然不能代替原型制作，但作為驗(yàn)證此類電路構(gòu)想的第一步很有用。 若要驗(yàn)證此電路，可以使用ADIsimPE仿真器和AD8428 SPICE宏模型仿真兩個(gè)器件并聯(lián)時(shí)的電路性能。 圖3中的仿真結(jié)果表明該電路的表現(xiàn)與預(yù)期一致： 增益為2000，噪聲降低30%。

　　圖3. SPICE仿真結(jié)果

　　圖4. 圖1中電路的電壓噪聲頻譜測(cè)量值

　　測(cè)量結(jié)果

　　在工作臺(tái)上測(cè)量四個(gè)AD8428組成的完整電路。 測(cè)得的RTI噪聲頻譜密度為0.7 nV/√Hz（1 kHz），0.1 Hz至10 Hz范圍內(nèi)具有25 nV p-p。 這比很多納伏電壓表的噪聲都要更低。 測(cè)得的噪聲頻譜和峰峰值噪聲分別如圖4和圖5所示。

　　結(jié)論

　　納伏級(jí)靈敏度目標(biāo)非常難以達(dá)成，會(huì)遇到很多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。 對(duì)于需要低噪聲和高增益的系統(tǒng)，AD8428儀表放大器具有實(shí)現(xiàn)高性能設(shè)計(jì)所需的特性。 此外，該器件獨(dú)特的配置允許將這個(gè)不尋常的電路加入其納伏級(jí)工具箱內(nèi)。

　　圖5. 圖1中電路測(cè)得的0.1 Hz至10 Hz RTI噪聲

　　參考文獻(xiàn)

　　MT-047指南：運(yùn)算放大器噪聲。

　　MT-048指南：運(yùn)算放大器噪聲關(guān)系：1/f噪聲、均方根（RMS）噪聲與等效噪聲帶寬。

　　MT-049指南：?jiǎn)螛O點(diǎn)系統(tǒng)的運(yùn)算放大器總輸出噪聲計(jì)算。

　　MT-050指南：二階系統(tǒng)的運(yùn)算放大器總輸出噪聲計(jì)算。

　　MT-065指南：儀表放大器噪聲。