使用低噪声仪表放大器设计高性能系统

作者：Gustavo Castro and Scott Hunt

什么是低噪声仪表放大器？

低噪声仪表放大器是一种极其敏感的设备，可以在嘈杂的环境中或存在大无用电压的情况下测量最小的信号。它通过放大两个输入之间的差值来实现此功能，同时抑制两个输入共有的任何电压。低噪声仪表放大器结合了极低的宽带噪声和低1/f转折，使其适用于最苛刻的精密应用。

什么样的系统需要低噪声仪表放大器？

通常，需要对传感器进行精密放大和调理的系统，这些传感器产生的信号太弱，无法直接连接到数据转换器。一些传感器产生的窄带信号可能非常小。其他的可能会在宽带宽上生成具有丰富频率内容的时变信号。在这两种情况下，此类信号都需要放大到系统本底噪声之上。这些系统必须在嘈杂的环境中工作时保持其性能，其中存在较大的共模电压（通常在交流电源线频率下）。

哪些应用使用这种类型的放大器？

低噪声仪表放大器用于解决当今一些最困难的挑战。这些挑战需要对信号监测、数据分析和物理测量工具进行精确放大。它们用于以下应用：

用于矿产和能源资源钻探和勘探的数据记录系统

使用基于导管的心脏消融等方法纠正心律失常的手术工具

提高机械和车辆安全性的模态振动分析工具

其他应用包括麦克风前置放大器、声学换能器、压电传感器调理、血压监测仪、脑癫痫发作诊断 （EEG）、心脏监护仪 （ECG）、磁传感器调理和功率监测。

仪表放大器中的噪声是如何指定的？

仪表放大器（如运算放大器）将噪声指定为输入或RTI。换句话说，一切都像出现在放大器输入端一样计算。与运算放大器不同，仪表放大器具有来自输出级或e的噪声。不，必须除以增益才能得到RTI值。以放大器输出（RTO）为基准的噪声是RTI噪声与放大器增益的乘积。

如何计算总噪声密度？

仪表放大器的简单噪声模型如图1所示。为了获得总噪声，必须考虑放大器输入端看到的源电阻。连接到仪表放大器的任何传感器都有一定的输出电阻，根据传感器的类型，输出电阻可能非常不同。该电阻与用于保护仪表放大器输入的任何电阻串联构成总源电阻，用R表示S在图 1 中。该电阻值以两种方式影响噪声。任何电阻器，无论制作得多么好，都具有最低的热噪声水平，该热噪声与电阻值的平方根成正比。此外，电流噪声，i镍，通过 R 转换为电压S.因此，三个主要噪声源是电压噪声，e镍和 e不，独立于 RS;源电阻的热噪声，e纳;和电流噪声，i镍.

图1.简单的仪表放大器噪声模型。

所有这些噪声贡献可以组合起来，得到总噪声密度，如下所示：

有关放大器电路噪声的详细分析，请参考应用笔记AN-940。

如何为我的应用选择最佳的低噪声仪表放大器？

最好的低噪声放大器并不总是nV/√Hz输入电压噪声数最低的放大器。在噪声敏感型应用中，必须考虑增益、源电阻和频率范围，才能找到最佳放大器。图2绘制了ADI公司三个仪表放大器的总噪声，可为几乎所有源电阻提供最佳噪声性能。

图2.总噪声与源电阻的关系。

请注意，对于低 RS，电压噪声占主导地位，对于高R噪声S，无论选择哪种放大器，电流噪声都占主导地位。请参考以下公式来确定给定源电阻的主要噪声源。

如果源电阻小于 RL，电压噪声占主导地位，如果可能，应使用电压噪声较低的放大器。如果源电阻大于 RH，电流噪声占主导地位，应使用电流噪声较低的放大器。

在上面的示例中，对于 RS值在大约5 kΩ和10 kΩ之间，所有这些仪表放大器的噪声性能接近或相同。此时，请考虑优化系统的其他参数，例如带宽、功率、失真和成本。

我可以构建自己的低噪声仪表放大器吗？

构建分立式低噪声仪表放大器是可能的，但有几个挑战需要克服。其中一些包括实现高共模抑制、低漂移、宽带宽和低失真。通过分立设计获得这些参数非常困难，代价是使用多个组件、昂贵的调整、更高的功耗和更大的尺寸。ADI公司的低噪声仪表放大器为最先进的应用提供了更好的解决方案。

审核编辑：郭婷