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非常微弱的信號進(jìn)行測量。放大器通過抑制兩個輸入端的共模電壓和放大輸入信號的差值來測量信號。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調(diào)理的系統(tǒng)中。此類系統(tǒng)生成的信號太弱，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)生各種頻率的時變信號，在這兩種情況下，都需要將這些信號放大至高于系統(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)對當(dāng)今某些最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)要求信號監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析和物理測量工具具備精密放大功能。它們的應(yīng)用場合如下：

 

• 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計入。但與運(yùn)算放大器不同的是，儀表放大器還具有輸出級的噪聲(e_no)，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。

 

如何計算總噪聲密度？

 

儀表放大器的一個簡單的噪聲模型見圖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R_S表示)，見圖1。該電阻值對噪聲的影響有兩方面。無論制作多么精良的電阻都會產(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(i_ni)通過R_S可轉(zhuǎn)化為電壓噪聲。因此，三個主要噪聲源為：與R_S無關(guān)的電壓噪聲(e_ni和e_no)、源電阻的熱噪聲(e_ns)和電流噪聲(i_ni)。

 

圖1. 簡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。

 

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)R_S值較低時，電壓噪聲為主要噪聲，而R_S值較高時，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R_L，則電壓噪聲為主要噪聲，這時，應(yīng)該選擇電壓噪聲較低的放大器。而如果源電阻高于R_H，則電流噪聲為主要噪聲，這時，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，這些放大器的噪聲性能會非常接近，甚至相同。這時，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)計中實現(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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