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(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(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(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(jì)算總噪聲密度？

 

儀表放大器的一個(gè)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(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(i_ni)通過R_S可轉(zhuǎn)化為電壓噪聲。因此，三個(gè)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(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(shí)，電壓噪聲為主要噪聲，而R_S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R_L，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R_H，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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