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ADI:无烦恼,高增益:构建具有纳伏级灵敏度的低噪声外表放大器

文章转自ADI官网,版权归属原作者所有 简介构建具有纳伏级灵敏度的电压测量系统会遇到很

文章转自ADI官网,版权归属原作者全部

简介

构建具有纳伏级灵敏度的电压丈量体系会遇到许多规划应战。现在最好的运算扩大器(比方超低噪声AD797)能够完成低于1nV/ Hz的噪声功能(1 kHz),但低频率噪声约束了能够完成的噪声功能为大约50 nV p-p(0.1 Hz至10 Hz频段内)。过采样平和均能够下降宽带噪声的rms奉献,但价值是献身了更高的数据速率,且功耗较高,但过采样不会下降噪声频谱密度,一起它对1/f区内的噪声无影响。此外,为防止来自后级的噪声奉献,就需求选用较大的前端增益,然后下降了体系带宽。假如没有阻隔,那么全部的接地反弹或搅扰都会出现在输出端,并有或许损坏扩大器及其输入信号的低内部噪声的局势。体现杰出的低噪声外表扩大器能够简化规划,并下降共模电压、电源动摇和温度漂移引起的残留差错。

低噪声外表扩大器AD8428供给2000 准确增益,具有处理这些问题所有必要的全部特性。AD8428 具有5 ppm/°C最大增益漂移、0.3 μV/°C最大失调电压漂移、140 dB最小CMRR至60 Hz(120 dB最小值至50 kHz)、130 dB最小PSRR和3.5 MHz带宽,合适低电平丈量体系。最有目共睹的是该器材的1.3 nV/ Hz电压噪声(1 kHz)和业界最佳的40 nV p-p噪声(0.1 Hz至10 Hz)功能,在极小信号下具有高信噪比。两个额定的引脚可让规划人员改动增益或添加滤波器来下降噪声带宽。这些滤波器引脚还供给了下降噪声的共同办法。

运用多个AD8428 外表扩大器下降体系噪声

图1 显现的电路装备可进一步下降体系噪声。四个AD8428 的输入和滤波引脚相互短接,下降噪声至本来的二分之一。能够运用恣意一个外表扩大器的输出来坚持低输出阻抗。此电路能够扩展然后下降噪声,下降的倍数为所用扩大器数的平方根。

Figure 1
图1. 运用四个AD8428 外表扩大器的降噪电路

电路怎么下降噪声

每一个AD8428 发作1.3 nV/ Hz折合到输入(RTI)的典型频谱噪声,该噪声与其他扩大器发作的噪声不相关。不相关的噪声源以方和根(RSS)的方法叠加到滤波器引脚。另一方面,输入信号为正相关。每一个AD8428 都呼应信号在滤波器引脚上生成相同的电压,因而衔接多个AD8428 不会改动电压,增益坚持为2000。

噪声剖析

针对图2电路简化版别的剖析标明,将两个AD8428以此方法衔接能够下降噪声,下降的倍数为2。每一个AD8428的噪声都能够在+IN引脚上建模。为了确认总噪声,能够将输入接地,并运用叠加来组合噪声源。

噪声源en1经200差分增益扩大,并抵达前置扩大器A1的输出端。就这部分的剖析而言,输入接地时,前置扩大器A2的输出端无噪声。前置扩大器A1每个输出端与相应前置扩大器A2输出端之间的6 kΩ/6 kΩ电阻分频器能够选用戴维宁等效电路替代:前置扩大器A1输出端噪声电压的一半以及一个3 kΩ串联电阻。这部分便是下降噪声的机制。完好的节点剖析标明,呼应en1的输出电压为1000 × en1。因为对称,因而呼应噪声电压en2的输出电压为1000 × en2en1en2起伏都等于en,而且将作为RSS叠加,导致总输出噪声为1414 × en

Figure 2
图2. 噪声剖析简化电路模型

为了将其折合回输入端,就有必要验证增益。假设在+INPUT和–INPUT之间施加差分信号VIN。A1榜首级输出端的差分电压等于VIN × 200。相同的电压出现在前置扩大器A2的输出端,因而没有分频信号进入6 kΩ/6 kΩ分频器,而且节点剖析标明输出为VIN × 2000。因而,总电压噪声RTI为en × 1414/2000,等效于en/2。运用AD8428的1.3 nV/Hz典型噪声密度,则两个扩大器装备所发作的噪声密度约为0.92 nV/Hz。

运用额定的扩大器之后,滤波器引脚处的阻抗发作改动,进一步下降噪声。例如,如图1所示运用四个AD8428,则前置扩大器输出端到滤波器引脚之间的6 kΩ电阻后接三个6 kΩ电阻,别离衔接每一个无噪声前置扩大器的输出端。这样便有效地创建了6 kΩ/2 kΩ电阻分频器,将噪声进行四分频处理。因而,正如猜测的那样,四个扩大器的总噪声便等于en/2。

进行噪声与功耗的权衡取舍

首要的权衡取舍来自功耗与噪声。AD8428具有极高的噪声-功耗功率,输入噪声密度为1.3 nV/Hz(6.8 mA最大电源电流)。为了进行比照,考虑低噪声AD797运算扩大器——该器材需求10.5 mA最大电源电流来到达0.9 nV/Hz。一个分立式G = 2000低噪声外表扩大器选用两个AD797运算扩大器和一个低功耗差动扩大器构建,需求运用21 mA以上电流,完成两个运算扩大器和一个30.15 Ω电阻奉献的1.45 nV/Hz噪声RTI功能。

除了许多扩大器并联衔接运用的电源考虑要素外,规划人员还有必要考虑热环境。选用±5 V电源的单个AD8428因内部功耗会使温度上升约8°C。假如许多个器材接近放置,或许放置在关闭空间,则它们之间会相互传导热量,需考虑运用热办理技能。

SPICE仿真

SPICE电路仿真尽管不能替代原型制造,但作为验证此类电路设想的榜首步很有用。若要验证此电路,能够运用ADIsimPE仿真器和AD8428 SPICE宏模型仿真两个器材并联时的电路功能。图3中的仿真成果标明该电路的体现与预期共同:增益为2000,噪声下降30%。

Figure 3
图3. SPICE仿真成果

丈量成果

在作业台上丈量四个AD8428组成的完好电路。测得的RTI噪声频谱密度为0.7 nV/Hz (1 kHz),0.1 Hz至10 Hz范围内具有25 nV p-p。这比许多纳伏电压表的噪声都要更低。测得的噪声频谱和峰峰值噪声别离如图4和图5所示。

Figure 4
图4. 图1中电路的电压噪声频谱丈量值
Figure 5
图5. 图1中电路测得的0.1 Hz至10 Hz RTI噪声

定论

纳伏级灵敏度方针十分难以达到,会遇到许多规划应战。关于需求低噪声和高增益的体系,AD8428外表扩大器具有完成高功能规划所需的特性。此外,该器材共同的装备答应将这个不寻常的电路参加其纳伏级东西箱内。

参阅电路

MT-047攻略:运算扩大器噪声。

MT-048攻略:运算扩大器噪声联系:1/f噪声、均方根(RMS)噪声与等效噪声带宽。

MT-049攻略:单极点体系的运算扩大器总输出噪声核算。

MT-050攻略:二阶体系的运算扩大器总输出噪声核算。

MT-065攻略:外表扩大器噪声。

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