用低噪聲儀表放大器設(shè)計(jì)高性能系統(tǒng)

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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(guò)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(lái)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(wú)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(kāi)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(shuō)，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(jiàn)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(jiàn)圖1。該電阻值對(duì)噪聲的影響有兩方面。無(wú)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(guò)RS可轉(zhuǎn)化為電壓噪聲。因此，三個(gè)主要噪聲源為：與RS無(wú)關(guān)的電壓噪聲(eni和eno)、源電阻的熱噪聲(ens)和電流噪聲(ini)。

將這些噪聲綜合起來(lái)，可以獲得總噪聲密度，計(jì)算公式  如下：

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。

注意，無(wú)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。

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)。

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。