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用低噪聲儀表放大器設(shè)計(jì)高性能系統(tǒng)

發(fā)布時(shí)間:2020-07-16 來源:Gustavo Castro和Scott Hunt 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】低噪聲儀表放大器是一種非常靈敏的器件,它能夠在嘈雜的環(huán)境中或出現(xiàn)較高不感興趣電壓的條件下對(duì)非常微弱的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。放大器通過抑制兩個(gè)輸入端的共模電壓和放大輸入信號(hào)的差值來測(cè)量信號(hào)。低噪聲儀表放大器寬帶噪聲極低且1/f噪聲轉(zhuǎn)折頻率低,因此,能滿足大多數(shù)精確應(yīng)用的需要。
 
什么是低噪聲儀表放大器?
 
低噪聲儀表放大器是一種非常靈敏的器件,它能夠在嘈雜的環(huán)境中或出現(xiàn)較高不感興趣電壓的條件下對(duì)非常微弱的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。放大器通過抑制兩個(gè)輸入端的共模電壓和放大輸入信號(hào)的差值來測(cè)量信號(hào)。低噪聲儀表放大器寬帶噪聲極低且1/f噪聲轉(zhuǎn)折頻率低,因此,能滿足大多數(shù)精確應(yīng)用的需要。
 
哪種系統(tǒng)需要低噪聲儀表放大器?
 
通常,低噪聲儀表放大器用在需要精密放大功能和需要傳感器信號(hào)調(diào)理的系統(tǒng)中。此類系統(tǒng)生成的信號(hào)太弱,無法直接為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器所用。一些傳感器生成的窄帶信號(hào)的強(qiáng)度可能非常微弱,而有些傳感器可在較寬帶寬范圍內(nèi)產(chǎn)生各種頻率的時(shí)變信號(hào),在這兩種情況下,都需要將這些信號(hào)放大至高于系統(tǒng)的噪底。在高共模電壓(通常為交流電力線頻率)條件下,系統(tǒng)必須在噪聲環(huán)境下保持其應(yīng)有的性能。
 
什么應(yīng)用需要用到這種放大器?
 
低噪聲儀表放大器可應(yīng)對(duì)當(dāng)今某些最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)要求信號(hào)監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析和物理測(cè)量工具具備精密放大功能。它們的應(yīng)用場(chǎng)合如下:
 
• 采礦和能源開采所需的數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)
• 用于校正心律失常的心臟導(dǎo)管消融術(shù)所需的手術(shù)器械
• 用于提高機(jī)械和車輛安全性的模態(tài)振動(dòng)分析工具
 
其它應(yīng)用包括麥克風(fēng)前置放大器、聲波換能器、壓電傳感器調(diào)理、血壓監(jiān)測(cè)儀、腦瘤診斷儀(EEG)、心臟監(jiān)護(hù)儀(ECG)、磁傳感器調(diào)理和功率監(jiān)測(cè)儀。
 
如何確定儀表放大器的噪聲規(guī)格?
 
像運(yùn)算放大器一樣,儀表放大器將噪聲規(guī)定為折合到輸入端噪聲(RTI)。也就是說,出現(xiàn)在放大器輸入端的都會(huì)計(jì)入。但與運(yùn)算放大器不同的是,儀表放大器還具有輸出級(jí)的噪聲(eno),必須用該值除以增益,以獲得RTI值。折合到放大器輸出端的噪聲(RTO)等于RTI噪聲與放大器的增益的乘積。
 
如何計(jì)算總噪聲密度?
 
儀表放大器的一個(gè)簡(jiǎn)單的噪聲模型見圖1。如需獲得總噪聲,必須要考慮放大器輸入端的源電阻。任何與儀表放大器相連的傳感器都有輸出電阻,電阻值可能因傳感器的類型不同而有較大差異。串聯(lián)電阻用于保護(hù)儀表放大器,這些電阻阻值之和構(gòu)成了總源電阻(以RS表示),見圖1。該電阻值對(duì)噪聲的影響有兩方面。無論制作多么精良的電阻都會(huì)產(chǎn)生極低的熱噪聲,該噪聲與阻值的平方根成比例。此外,電流噪聲(ini)通過RS可轉(zhuǎn)化為電壓噪聲。因此,三個(gè)主要噪聲源為:與RS無關(guān)的電壓噪聲(eni和eno)、源電阻的熱噪聲(ens)和電流噪聲(ini)。
 
用低噪聲儀表放大器設(shè)計(jì)高性能系統(tǒng)
圖1. 簡(jiǎn)單的儀表放大器噪聲模型
 
將這些噪聲綜合起來,可以獲得總噪聲密度,計(jì)算公式如下:
 
用低噪聲儀表放大器設(shè)計(jì)高性能系統(tǒng)
 
如何選擇最符合應(yīng)用需要的低噪聲儀表放大器?
 
輸入電壓噪聲數(shù)值(nV/√Hz)最低的儀表放大器不一定是最佳低噪聲儀表放大器。在對(duì)噪聲敏感的應(yīng)用中,為找到最佳放大器,必須考慮增益、源電阻和頻率范圍。圖2顯示了ADI公司三款儀表放大器的總噪聲,以在幾乎全部源電阻條件下提供最佳噪聲性能。
 
用低噪聲儀表放大器設(shè)計(jì)高性能系統(tǒng)
圖2. 總噪聲與源阻抗的關(guān)系
 
注意,無論選擇哪種放大器,當(dāng)RS值較低時(shí),電壓噪聲為主要噪聲,而RS值較高時(shí),電流噪聲為主要噪聲。在給定源電阻值的情況下,可以利用下面公式?jīng)Q定哪種噪聲為主要噪聲。
 
用低噪聲儀表放大器設(shè)計(jì)高性能系統(tǒng)
 
用低噪聲儀表放大器設(shè)計(jì)高性能系統(tǒng)
 
如果源電阻低于RL,則電壓噪聲為主要噪聲,這時(shí),應(yīng)該選擇電壓噪聲較低的放大器。而如果源電阻高于RH,則電流噪聲為主要噪聲,這時(shí),應(yīng)該選擇電流噪聲較低的放大器。在上述示例中,當(dāng)RS值在5 kΩ至10 kΩ之間時(shí),這些放大器的噪聲性能會(huì)非常接近,甚至相同。這時(shí),需要考慮優(yōu)化系統(tǒng)的其它參數(shù)(如:帶寬、功率、失真、成本)。
 
我可以自己構(gòu)建低噪聲儀表放大器嗎?
 
可以自己構(gòu)建分立式低噪聲儀表放大器,但必須克服某些困難。例如:必須保證高共模抑制、低漂移、高帶寬和低失真。要在分立設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)這些參數(shù)相當(dāng)困難,必須用到多種器件,調(diào)整的成本非常高,功耗較高,而且占用電路板的面積也比較大。ADI公司提供的低噪聲儀表放大器可以為各種應(yīng)用提供更好的解決方案。
 
參考文獻(xiàn)
 
1 視頻:“儀表放大器電路的噪聲。”
2 MT-065指南,儀表放大器噪聲(ADI)。
3 AN-940應(yīng)用筆記,最佳噪聲性能:低噪聲放大器選擇指南(ADI)。
 
 
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