作者：Moshe Gerstenhaber, Rayal Johnson, and Scott Hunt

構(gòu)建具有納伏靈敏度的電壓測量系統(tǒng)面臨著許多設(shè)計挑戰(zhàn)。目前最好的運(yùn)算放大器，如超低噪聲AD797，在1 kHz時可實(shí)現(xiàn)低于1 nV/√Hz的噪聲，但低頻噪聲的性質(zhì)將0.1 Hz至10 Hz頻段內(nèi)可實(shí)現(xiàn)的噪聲限制在約50 nV p-p。過采樣和平均可以降低平坦帶噪聲的均方根貢獻(xiàn)，但代價是更高的數(shù)據(jù)速率和額外的功率，但過采樣不會降低噪聲頻譜密度，并且對1/f區(qū)域的噪聲沒有影響。此外，需要較大的前端增益以避免后續(xù)級的噪聲貢獻(xiàn)，從而降低系統(tǒng)帶寬。如果不進(jìn)行隔離，輸出端也會出現(xiàn)任何接地反彈或干擾，這可能會壓倒放大器及其輸入信號的低固有噪聲。性能良好的低噪聲儀表放大器（儀表放大器）簡化了此類系統(tǒng)的設(shè)計和構(gòu)造，并減少了共模電壓、電源波動和溫度漂移引起的殘余誤差。

AD8428低噪聲儀表放大器提供2000的精密增益，并具有解決這些問題所需的所有特性。AD8428的最大增益漂移為5 ppm/°C，最大失調(diào)電壓漂移為0.3 μV/°C，最小CMRR為140 dB至60 Hz（最小為120 dB至50 kHz），最小PSRR為130 dB，帶寬為3.5 MHz，非常適合低電平測量系統(tǒng)。最重要的是，1 kHz 時的 1.3nV/√Hz 電壓噪聲和 0.1 Hz 至 10 Hz 的業(yè)界最佳 40nV 峰峰值噪聲可在非常小的信號下實(shí)現(xiàn)高信噪比。兩個額外的引腳使設(shè)計人員能夠改變增益或添加濾波器以降低噪聲帶寬。這些濾波器引腳還提供了一種降低噪聲的獨(dú)特方法。

使用多個AD8428儀表放大器降低系統(tǒng)噪聲

圖1所示為進(jìn)一步降低系統(tǒng)噪聲的電路配置。四個AD8428的輸入和濾波器引腳短接在一起，噪聲降低2倍。輸出可以從任何一個儀表放大器獲取，以保持低輸出阻抗。該電路可以擴(kuò)展，將噪聲除以所用放大器數(shù)量的平方根。

圖1.降噪電路采用四個AD8428儀表放大器。

電路如何降低噪聲

每個AD8428產(chǎn)生的1.3 nV/√Hz典型參考輸入（RTI）頻譜噪聲與其他放大器產(chǎn)生的噪聲無關(guān)。不相關(guān)的噪聲源在濾波器引腳上加為平方和根（RSS）。另一方面，輸入信號呈正相關(guān)。每個AD8428在其濾波器引腳上產(chǎn)生相同的電壓以響應(yīng)信號，因此連接多個AD8428不會改變電壓，增益保持2000。

噪聲分析

以下對圖2中電路簡化版本的分析表明，以這種方式連接的兩個AD8428可將噪聲降低√2倍。每個AD8428的噪聲可以在其+IN引腳上建模。要確定總噪聲，請將輸入接地并使用疊加來組合噪聲源。

噪聲源eN1通過200的差分增益放大到前置放大器A1的輸出。對于這部分分析，前置放大器A2的輸出在接地輸入下是無噪聲的。從前置放大器 A1 的每個輸出到前置放大器 A2 相應(yīng)輸出的 6kΩ/6 kΩ 電阻分壓器可以用其戴維寧等效值代替：前置放大器 A1 輸出端噪聲電壓的一半，使用 3kΩ 串聯(lián)電阻。這種劃分是降低噪音的機(jī)制。全節(jié)點(diǎn)分析表明，響應(yīng)en1的輸出電壓為1000 ×eN1.通過對稱性，輸出電壓響應(yīng)噪聲電壓eN2是 1000 ×eN2.的量級eN1和eN2都等于en，并將添加為 RSS，導(dǎo)致整體輸出噪聲為 1414 ×en.

圖2.用于噪聲分析的簡化電路模型。

為了將其反饋回輸入端，必須驗證增益。假設(shè)差分信號 V在在 +輸入和 –輸入之間應(yīng)用。A1第一級輸出端的差分電壓將為V在× 200。前置放大器A2的輸出端出現(xiàn)相同的電壓，因此沒有通過6 kΩ/6 kΩ分壓器的信號分頻，節(jié)點(diǎn)分析顯示輸出為V在×2000年。因此，總電壓噪聲RTI為en× 1414/2000，或同等en/√2.使用AD8428的典型噪聲密度為1.3 nV/√Hz，兩個放大器配置產(chǎn)生的噪聲密度約為0.92 nV/√Hz。

使用額外的放大器時，濾波器引腳上的阻抗會發(fā)生變化，從而進(jìn)一步降低噪聲。例如，如圖1所示使用四個AD8428，從前置放大器輸出到濾波器引腳的6 kΩ電阻后跟三個6 kΩ電阻，每個無噪聲前置放大器輸出。這有效地產(chǎn)生了一個6 kΩ/2 kΩ電阻分壓器，將噪聲除以4。然后，所有四個放大器的總噪聲變?yōu)閑n/2，正如預(yù)測的那樣。

在噪聲與功耗之間進(jìn)行權(quán)衡

主要的權(quán)衡是功耗與噪聲。AD8428具有非常高的噪聲功耗比，輸入噪聲密度為1.3 nV/√Hz，最大電源電流為6.8 mA。為了進(jìn)行比較，請考慮低噪聲運(yùn)算放大器AD797，它需要10.5 mA的最大電源電流才能實(shí)現(xiàn)0.9 nV/√Hz。由兩個運(yùn)算放大器AD797和一個低功耗差動放大器構(gòu)成的分立G = 2000低噪聲儀表放大器可以使用超過21 mA的電流來實(shí)現(xiàn)1.45 nV/√Hz噪聲RTI，由兩個運(yùn)算放大器和一個30.15 Ω電阻提供。

除了并聯(lián)使用多個放大器的電源考慮因素外，設(shè)計人員還必須考慮熱環(huán)境。采用±5 V電源的單個AD8428由于內(nèi)部功耗而具有約8°C的溫升。如果許多設(shè)備靠近放置或放置在封閉空間中，它們可以相互加熱，應(yīng)考慮熱管理技術(shù)。

使用SPICE進(jìn)行模擬

雖然它不應(yīng)用作原型設(shè)計的替代品，但使用SPICE進(jìn)行電路仿真可能是驗證此類電路理念的有用第一步。為了驗證該電路，使用ADIsimPE仿真器和AD8428 SPICE宏模型來仿真兩個器件并聯(lián)時的電路性能。圖3所示的結(jié)果顯示了預(yù)期的行為：增益為2000，噪聲降低30%。

圖3.SPICE仿真結(jié)果。

測量結(jié)果

使用四個AD8428的整個電路是在工作臺上測量的。測得的RTI噪聲在1 kHz時的頻譜密度為0.7 nV/√Hz，在0.1 Hz至10 Hz范圍內(nèi)具有25 nV p-p。這比許多納伏表的噪聲要低。測得的噪聲頻譜和峰峰值噪聲分別如圖4和圖5所示。

圖4.測量電路的電壓噪聲頻譜如圖1所示。

圖5.測得的電路的0.1 Hz至10 Hz RTI噪聲如圖1所示。

結(jié)論

納伏靈敏度是一個困難的目標(biāo)，帶來了許多設(shè)計挑戰(zhàn)。對于需要低噪聲和高增益的系統(tǒng)，AD8428儀表放大器具有實(shí)現(xiàn)高性能設(shè)計所需的特性。此外，其獨(dú)特的配置使其能夠?qū)⑦@種不尋常的電路添加到納伏工具箱中。

審核編輯：郭婷