AD855x系列在微弱信號(hào)檢測(cè)中的應(yīng)用

　　對(duì)于眾多需要檢測(cè)的微弱量，如弱光、弱磁、微溫度、微電流、微振動(dòng)、小位移等，通常都是通過(guò)各種傳感器做非電量的轉(zhuǎn)換，使檢測(cè)對(duì)象轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏浚娏骰螂妷海?。由于所測(cè)對(duì)象本身為微弱量，受各種不同傳感器靈敏度的限制，所得到的電量還是小信號(hào)，一般不能直接用于采樣處理。在信號(hào)檢測(cè)的電路設(shè)計(jì)中，一般信號(hào)都需要經(jīng)過(guò)一級(jí)或 多級(jí)的前置放大。此時(shí)的信號(hào)中所包含的噪聲包括2個(gè)方面：一是來(lái)自電路檢測(cè)系統(tǒng)的外部，例如市電干擾、溫度漲落、以及宇宙射線(xiàn)等，克服這類(lèi)噪聲的辦法是采用嚴(yán)密的電磁屏蔽；二是由于前置放大所帶來(lái)的噪聲，這類(lèi)噪聲不能通過(guò)屏蔽的辦法克服，只能通過(guò)選用性能優(yōu)越的前置放大器以及低噪聲設(shè)計(jì)電路來(lái)使噪聲影響最小，其中性能優(yōu)越的放大器是其中的關(guān)鍵。AD855x系列是由AD公司生產(chǎn)的低噪聲、零漂移、單電源的放大器。其優(yōu)越的性能使其成為很多信號(hào)檢測(cè)電路中前放的首選。

　　1一般放大器存在的問(wèn)題

　　圖1為一般的放大電路，圖中ES為信號(hào)源，E1/f為半導(dǎo)體的低頻噪聲，VOS A為放大器的固有偏置，VOUT為輸出信號(hào)，A為放大倍數(shù)。可以計(jì)算輸出信號(hào)為：

　　由式（1）可見(jiàn)，在放大信號(hào)的同時(shí)，放大器的低頻率噪聲和固有偏置也同時(shí)得到放大，這就大大減小了信噪比，特別在所要檢測(cè)信號(hào)為極小的微弱信號(hào)時(shí)，經(jīng)前置放大后的信號(hào)根本無(wú)法使用。

　　傳統(tǒng)的解決辦法如圖2所示，在電路中加入開(kāi)關(guān)A，B。開(kāi)關(guān)一般由單片機(jī)等邏輯電路控制，當(dāng)A關(guān)，B開(kāi)時(shí)，輸出為式（1），當(dāng)A開(kāi)，B關(guān)時(shí)，輸出為：

　　則經(jīng)過(guò)調(diào)偏后的放大信號(hào)：

　　式中，T為開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換的周期。這種辦法可以很有效地抑制低頻及偏置噪聲，但是由于需要外部的邏輯控制電路，這就增加了電路中的元器件以及在控制上的困難，而且要得到很好的抑制就需要很高的控制頻率，這都使得這種方法在很多時(shí)候并不可行。AD855x系列放大器解決了這些問(wèn)題，使其成為低頻微弱信號(hào)檢測(cè)前置放大器的首選。

　　2 AD855x系列的性能特點(diǎn)

　　AD855x系列包括的AD8551，AD8552，AD8554分別為1，2，4通道的放大器。AD855x系列是CMO S結(jié)構(gòu)的高精密度railtorail放大器。只需5 V或2.7 V單電源供電。小于1 μV的電壓偏置使其可以設(shè)定為很大的增益而不會(huì)帶來(lái)大的輸出電壓誤差。極小的電壓溫度偏移（5nV/℃）使其工作在-40~+125 ℃只會(huì)有一個(gè)很小的電壓偏置。

　　(1) AD855x系列的結(jié)構(gòu)

　　AD855x系列放大器內(nèi)部都是由2個(gè)放大器組成，一個(gè)主放大器和一個(gè)從放大器，主放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，從放大器用來(lái)調(diào)整主放大器的偏置電壓，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　(2) AD855x系列的放大原理

　　在圖3中，VIN+，VIN-為差分輸入信號(hào)，VOSA，V OSB分別為A，B放大器的固有偏置，AA，AB分別為A，B放大器的增益系數(shù)，BA，BB分別為A，B放大器的偏置增益系數(shù)，M，N開(kāi)關(guān)的狀態(tài)決定放大器2個(gè)工作階段:偏置調(diào)整階段和放大階段。

　　M關(guān)，N開(kāi)，放大器處于調(diào)整偏置階段，由圖3可得：

　　M開(kāi)，N關(guān)，放大器處于放大輸出階段，由圖3得：

　　由于TS遠(yuǎn)小于VOSA,VOSB的變化時(shí)間，可認(rèn)為在TS時(shí)間內(nèi)V OSA,VOSB不變，可得：

　　AD855x系列采用最優(yōu)化設(shè)計(jì)，即AA=AB，BA=BB>>1因此上式可化簡(jiǎn)為：

　　由式(11)可見(jiàn)，AD855x系列放大器對(duì)信號(hào)的放大倍數(shù)為AAAB，而對(duì)放大器固有偏置（VOSA+VOSB）的放大倍數(shù)僅為AA。由此可見(jiàn)，使用A D855x系列放大器只會(huì)帶來(lái)極小的放大器固有偏置。

　　(3) AD855x系列的低頻噪聲特性

　　低頻噪聲由于其功率譜密度遵從1/f變化，所以又稱(chēng)1/f噪聲。這種噪聲十分普遍，不僅存在于電子管，半導(dǎo)體管，二極管和電阻中，也存在于熱敏電阻，碳拾音器和光源中。在半導(dǎo)體器件中，1/f噪聲主要是由半導(dǎo)體材料表面性質(zhì)所引起的。表面能態(tài)中載流子的激勵(lì)和復(fù)合，以及表面狀態(tài)密度等是影響1/f噪聲的主要因素。一般的放大器在低頻工作時(shí)會(huì)帶來(lái)很大的低頻噪聲影響，AD855x系列放大器的另一大優(yōu)點(diǎn)就是對(duì)低頻噪聲的抑制。由于AD855x系列放大器有自動(dòng)偏置調(diào)整的功能，半導(dǎo)體管帶來(lái)的低頻噪聲會(huì)像對(duì)待固有偏置一樣加以抑制。這使得AD855x系列放大器可以用于低頻甚至直流信號(hào)而不會(huì)帶來(lái)大的低頻噪聲。

　　3 AD8554使用

　　加速度計(jì)、壓力傳感器是經(jīng)常用到的傳感系統(tǒng)，大部分的應(yīng)力傳感系統(tǒng)的信號(hào)為低頻、微弱小信號(hào)，但是幾乎都對(duì)標(biāo)度的線(xiàn)形度要求很高。這就使得前置放大器的偏置和漂移帶來(lái)的影響顯得極為重要。

　　圖4為一橋式應(yīng)力傳感系統(tǒng)的前放電路，多數(shù)情況下電橋輸出為幾十毫伏的信號(hào)，因此放大器小的固有偏置都會(huì)給信號(hào)檢測(cè)帶來(lái)很大的影響，AD8554的自動(dòng)偏置調(diào)零的特點(diǎn)正好滿(mǎn)足了這一要求。另外，AD8554為4通道放大器使得整個(gè)前放系統(tǒng)器件少，電路簡(jiǎn)單。

　　橋式應(yīng)力傳感系統(tǒng)使用AD8554的另一優(yōu)點(diǎn)即小的輸入電流允許在設(shè)計(jì)過(guò)程中使用電阻大的電橋以提高檢測(cè)的精度，小的輸入電流使電橋不會(huì)因?yàn)榘l(fā)熱帶來(lái)因溫度變化造成的測(cè)量誤差。而且消耗功率小，很適合應(yīng)用于低功耗，便攜系統(tǒng)中。

　　4結(jié)語(yǔ)

　　在微弱信號(hào)檢測(cè)中模擬前放的好壞是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵， AD公司生產(chǎn)AD855x系列放大器以其低噪聲，零漂移，單電源，輸入電阻大的優(yōu)越性能為低頻微弱信號(hào)檢測(cè)提供了很好的選擇。通過(guò)對(duì)其工作原理的分析和具體一例更加說(shuō)明了其優(yōu)越的性能。