MS-2317:用低噪声仪表放大器设计高性能 系统 PDF

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技术文章
MS-2317
用低噪声仪表放大器设计高性能
系统
作者:Gustavo Castro和Scott Hunt,ADI公司集成放大
器产品部应用工程师
• 用于提高机械和车辆安全性的模态振动分析工具
其它应用包括麦克风前置放大器、声波换能器、压电传感
器调理、血压监测仪、脑瘤诊断仪(EEG)、心脏监护仪
(ECG)、磁传感器调理和功率监测仪。
如何确定仪表放大器的噪声规格?
什么是低噪声仪表放大器?
像运算放大器一样,仪表放大器将噪声规定为折合到输入
低噪声仪表放大器是一种非常灵敏的器件,它能够在嘈杂
端噪声(RTI)。也就是说,出现在放大器输入端的都会计
的环境中或出现较高不感兴趣电压的条件下对非常微弱的
入。但与运算放大器不同的是,仪表放大器还具有输出级
信号进行测量。放大器通过抑制两个输入端的共模电压和
的噪声(eno),必须用该值除以增益,以获得RTI值。折合到
放大输入信号的差值来测量信号。低噪声仪表放大器宽带
放大器输出端的噪声(RTO)等于RTI噪声与放大器的增益的
噪声极低且1/f噪声转折频率低,因此,能满足大多数精确
乘积。
应用的需要。
如何计算总噪声密度?
哪种系统需要低噪声仪表放大器?
仪表放大器的一个简单的噪声模型见图1。如需获得总噪
通常,低噪声仪表放大器用在需要精密放大功能和需要传感
声,必须要考虑放大器输入端的源电阻。任何与仪表放大
器信号调理的系统中。此类系统生成的信号太弱,无法直
器相连的传感器都有输出电阻,电阻值可能因传感器的类
接为数据转换器所用。一些传感器生成的窄带信号的强度
型不同而有较大差异。串联电阻用于保护仪表放大器,这
可能非常微弱,而有些传感器可在较宽带宽范围内产生各
些电阻阻值之和构成了总源电阻(以RS表示),见图1。该电
种频率的时变信号,在这两种情况下,都需要将这些信号
阻值对噪声的影响有两方面。无论制作多么精良的电阻都
放大至高于系统的噪底。在高共模电压(通常为交流电力线
会产生极低的热噪声,该噪声与阻值的平方根成比例。此
频率)条件下,系统必须在噪声环境下保持其应有的性能。
外,电流噪声(ini)通过RS可转化为电压噪声。因此,三个主
要噪声源为:与RS无关的电压噪声(eni和eno)、源电阻的热
什么应用需要用到这种放大器?
低噪声仪表放大器可应对当今某些最严峻的挑战。这些挑
噪声(ens)和电流噪声(ini)。
RS
战要求信号监控、数据分析和物理测量工具具备精密放大
e ns
功能。它们的应用场合如下:
• 采矿和能源开采所需的数据记录系统
• 用于校正心律失常的心脏导管消融术所需的手术器械
VS
eni e no
i ni
图1. 简单的仪表放大器噪声模型
April 2012 | Page 1 of 2
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MS-2317
将这些噪声综合起来,可以获得总噪声密度,计算公式
R H ( kΩ ) =
如下:
Total RTI Noise (nV/√Hz) = (e ns ) 2 + (e ni ) 2 + (e no
G
16
[Amplifier Current Noise (pA /
Hz
)]
2
) 2 + (i ni * R S ) 2
如果源电阻低于RL,则电压噪声为主要噪声,这时,应该选
欲获得关于放大器电路噪声的详细分析资料,请参阅应用
择电压噪声较低的放大器。而如果源电阻高于RH,则电流噪
笔记AN-940。
声为主要噪声,这时,应该选择电流噪声较低的放大器。
如何选择最符合应用需要的低噪声仪表放大器?
在上述示例中,当RS值在5 kΩ至10 kΩ之间时,这些放大器
输入电压噪声数值(nV/√Hz)最低的仪表放大器不一定是最
的噪声性能会非常接近,甚至相同。这时,需要考虑优化
佳低噪声仪表放大器。在对噪声敏感的应用中,为找到最
系统的其它参数(如:带宽、功率、失真、成本)。
佳放大器,必须考虑增益、源电阻和频率范围。图2显示
了ADI公司三款仪表放大器的总噪声,以在几乎全部源电
我可以自己构建低噪声仪表放大器吗?
阻条件下提供最佳噪声性能。
可以自己构建分立式低噪声仪表放大器,但必须克服某些
困难。例如:必须保证高共模抑制、低漂移、高带宽和低
1m
失真。要在分立设计中实现这些参数相当困难,必须用到
G ≥100 ALL AMPS
多种器件,调整的成本非常高,功耗较高,而且占用电路
板的面积也比较大。ADI公司提供的低噪声仪表放大器可
10µ
以为各种应用提供更好的解决方案。
1µ
参考文献
100n
10n
RS NOISE
AD8429
AD8221
AD8220
1n
0.1n
10
100
1k
10k
100k
1M
10M
100M
1G
00000-000
TOTAL NOISE DENSITY (V/√Hz)
100µ
1
视频:“仪表放大器电路的噪声。”
2
MT-065指南,仪表放大器噪声(ADI)。
3
AN-940应用笔记,最佳噪声性能:低噪声放大器选择
指南(ADI)。
10G
SOURCE RESISTANCE (Ω)
图2. 总噪声与源阻抗的关系
注意,无论选择哪种放大器,当RS值较低时,电压噪声为
主要噪声,而RS值较高时,电流噪声为主要噪声。在给定
源电阻值的情况下,可以利用下面公式决定哪种噪声为主
要噪声。
[Total Amplifier Noise Voltage (nV /
R ( kΩ ) =
L
Hz
)]
2
16
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