作者：Gustavo Castro and Scott Hunt

什么是低噪聲儀表放大器？

低噪聲儀表放大器是一種極其敏感的設(shè)備，可以在嘈雜的環(huán)境中或存在大無用電壓的情況下測量最小的信號。它通過放大兩個輸入之間的差值來實現(xiàn)此功能，同時抑制兩個輸入共有的任何電壓。低噪聲儀表放大器結(jié)合了極低的寬帶噪聲和低1/f轉(zhuǎn)折，使其適用于最苛刻的精密應(yīng)用。

什么樣的系統(tǒng)需要低噪聲儀表放大器？

通常，需要對傳感器進(jìn)行精密放大和調(diào)理的系統(tǒng)，這些傳感器產(chǎn)生的信號太弱，無法直接連接到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。一些傳感器產(chǎn)生的窄帶信號可能非常小。其他的可能會在寬帶寬上生成具有豐富頻率內(nèi)容的時變信號。在這兩種情況下，此類信號都需要放大到系統(tǒng)本底噪聲之上。這些系統(tǒng)必須在嘈雜的環(huán)境中工作時保持其性能，其中存在較大的共模電壓（通常在交流電源線頻率下）。

哪些應(yīng)用使用這種類型的放大器？

低噪聲儀表放大器用于解決當(dāng)今一些最困難的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)需要對信號監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析和物理測量工具進(jìn)行精確放大。它們用于以下應(yīng)用：

用于礦產(chǎn)和能源資源鉆探和勘探的數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)

使用基于導(dǎo)管的心臟消融等方法糾正心律失常的手術(shù)工具

提高機(jī)械和車輛安全性的模態(tài)振動分析工具

其他應(yīng)用包括麥克風(fēng)前置放大器、聲學(xué)換能器、壓電傳感器調(diào)理、血壓監(jiān)測儀、腦癲癇發(fā)作診斷 （EEG）、心臟監(jiān)護(hù)儀 （ECG）、磁傳感器調(diào)理和功率監(jiān)測。

儀表放大器中的噪聲是如何指定的？

儀表放大器（如運(yùn)算放大器）將噪聲指定為輸入或RTI。換句話說，一切都像出現(xiàn)在放大器輸入端一樣計算。與運(yùn)算放大器不同，儀表放大器具有來自輸出級或e的噪聲。不，必須除以增益才能得到RTI值。以放大器輸出（RTO）為基準(zhǔn)的噪聲是RTI噪聲與放大器增益的乘積。

如何計算總噪聲密度？

儀表放大器的簡單噪聲模型如圖1所示。為了獲得總噪聲，必須考慮放大器輸入端看到的源電阻。連接到儀表放大器的任何傳感器都有一定的輸出電阻，根據(jù)傳感器的類型，輸出電阻可能非常不同。該電阻與用于保護(hù)儀表放大器輸入的任何電阻串聯(lián)構(gòu)成總源電阻，用R表示S在圖 1 中。該電阻值以兩種方式影響噪聲。任何電阻器，無論制作得多么好，都具有最低的熱噪聲水平，該熱噪聲與電阻值的平方根成正比。此外，電流噪聲，i鎳，通過 R 轉(zhuǎn)換為電壓S.因此，三個主要噪聲源是電壓噪聲，e鎳和 e不，獨立于 RS;源電阻的熱噪聲，e納;和電流噪聲，i鎳.

圖1.簡單的儀表放大器噪聲模型。

所有這些噪聲貢獻(xiàn)可以組合起來，得到總噪聲密度，如下所示：

有關(guān)放大器電路噪聲的詳細(xì)分析，請參考應(yīng)用筆記AN-940。

如何為我的應(yīng)用選擇最佳的低噪聲儀表放大器？

最好的低噪聲放大器并不總是nV/√Hz輸入電壓噪聲數(shù)最低的放大器。在噪聲敏感型應(yīng)用中，必須考慮增益、源電阻和頻率范圍，才能找到最佳放大器。圖2繪制了ADI公司三個儀表放大器的總噪聲，可為幾乎所有源電阻提供最佳噪聲性能。

圖2.總噪聲與源電阻的關(guān)系。

請注意，對于低 RS，電壓噪聲占主導(dǎo)地位，對于高R噪聲S，無論選擇哪種放大器，電流噪聲都占主導(dǎo)地位。請參考以下公式來確定給定源電阻的主要噪聲源。

如果源電阻小于 RL，電壓噪聲占主導(dǎo)地位，如果可能，應(yīng)使用電壓噪聲較低的放大器。如果源電阻大于 RH，電流噪聲占主導(dǎo)地位，應(yīng)使用電流噪聲較低的放大器。

在上面的示例中，對于 RS值在大約5 kΩ和10 kΩ之間，所有這些儀表放大器的噪聲性能接近或相同。此時，請考慮優(yōu)化系統(tǒng)的其他參數(shù)，例如帶寬、功率、失真和成本。

我可以構(gòu)建自己的低噪聲儀表放大器嗎？

構(gòu)建分立式低噪聲儀表放大器是可能的，但有幾個挑戰(zhàn)需要克服。其中一些包括實現(xiàn)高共模抑制、低漂移、寬帶寬和低失真。通過分立設(shè)計獲得這些參數(shù)非常困難，代價是使用多個組件、昂貴的調(diào)整、更高的功耗和更大的尺寸。ADI公司的低噪聲儀表放大器為最先進(jìn)的應(yīng)用提供了更好的解決方案。

審核編輯：郭婷