构建具有纳伏灵敏度的低噪声仪表放大器

作者：Moshe Gerstenhaber, Rayal Johnson, and Scott Hunt

构建具有纳伏灵敏度的电压测量系统面临着许多设计挑战。目前最好的运算放大器，如超低噪声AD797，在1 kHz时可实现低于1 nV/√Hz的噪声，但低频噪声的性质将0.1 Hz至10 Hz频段内可实现的噪声限制在约50 nV p-p。过采样和平均可以降低平坦带噪声的均方根贡献，但代价是更高的数据速率和额外的功率，但过采样不会降低噪声频谱密度，并且对1/f区域的噪声没有影响。此外，需要较大的前端增益以避免后续级的噪声贡献，从而降低系统带宽。如果不进行隔离，输出端也会出现任何接地反弹或干扰，这可能会压倒放大器及其输入信号的低固有噪声。性能良好的低噪声仪表放大器（仪表放大器）简化了此类系统的设计和构造，并减少了共模电压、电源波动和温度漂移引起的残余误差。

AD8428低噪声仪表放大器提供2000的精密增益，并具有解决这些问题所需的所有特性。AD8428的最大增益漂移为5 ppm/°C，最大失调电压漂移为0.3 μV/°C，最小CMRR为140 dB至60 Hz（最小为120 dB至50 kHz），最小PSRR为130 dB，带宽为3.5 MHz，非常适合低电平测量系统。最重要的是，1 kHz 时的 1.3nV/√Hz 电压噪声和 0.1 Hz 至 10 Hz 的业界最佳 40nV 峰峰值噪声可在非常小的信号下实现高信噪比。两个额外的引脚使设计人员能够改变增益或添加滤波器以降低噪声带宽。这些滤波器引脚还提供了一种降低噪声的独特方法。

使用多个AD8428仪表放大器降低系统噪声

图1所示为进一步降低系统噪声的电路配置。四个AD8428的输入和滤波器引脚短接在一起，噪声降低2倍。输出可以从任何一个仪表放大器获取，以保持低输出阻抗。该电路可以扩展，将噪声除以所用放大器数量的平方根。

图1.降噪电路采用四个AD8428仪表放大器。

电路如何降低噪声

每个AD8428产生的1.3 nV/√Hz典型参考输入（RTI）频谱噪声与其他放大器产生的噪声无关。不相关的噪声源在滤波器引脚上加为平方和根（RSS）。另一方面，输入信号呈正相关。每个AD8428在其滤波器引脚上产生相同的电压以响应信号，因此连接多个AD8428不会改变电压，增益保持2000。

噪声分析

以下对图2中电路简化版本的分析表明，以这种方式连接的两个AD8428可将噪声降低√2倍。每个AD8428的噪声可以在其+IN引脚上建模。要确定总噪声，请将输入接地并使用叠加来组合噪声源。

噪声源eN1通过200的差分增益放大到前置放大器A1的输出。对于这部分分析，前置放大器A2的输出在接地输入下是无噪声的。从前置放大器 A1 的每个输出到前置放大器 A2 相应输出的 6kΩ/6 kΩ 电阻分压器可以用其戴维宁等效值代替：前置放大器 A1 输出端噪声电压的一半，使用 3kΩ 串联电阻。这种划分是降低噪音的机制。全节点分析表明，响应en1的输出电压为1000 ×eN1.通过对称性，输出电压响应噪声电压eN2是 1000 ×eN2.的量级eN1和eN2都等于en，并将添加为 RSS，导致整体输出噪声为 1414 ×en.

图2.用于噪声分析的简化电路模型。

为了将其反馈回输入端，必须验证增益。假设差分信号 V在在 +输入和 –输入之间应用。A1第一级输出端的差分电压将为V在× 200。前置放大器A2的输出端出现相同的电压，因此没有通过6 kΩ/6 kΩ分压器的信号分频，节点分析显示输出为V在×2000年。因此，总电压噪声RTI为en× 1414/2000，或同等en/√2.使用AD8428的典型噪声密度为1.3 nV/√Hz，两个放大器配置产生的噪声密度约为0.92 nV/√Hz。

使用额外的放大器时，滤波器引脚上的阻抗会发生变化，从而进一步降低噪声。例如，如图1所示使用四个AD8428，从前置放大器输出到滤波器引脚的6 kΩ电阻后跟三个6 kΩ电阻，每个无噪声前置放大器输出。这有效地产生了一个6 kΩ/2 kΩ电阻分压器，将噪声除以4。然后，所有四个放大器的总噪声变为en/2，正如预测的那样。

在噪声与功耗之间进行权衡

主要的权衡是功耗与噪声。AD8428具有非常高的噪声功耗比，输入噪声密度为1.3 nV/√Hz，最大电源电流为6.8 mA。为了进行比较，请考虑低噪声运算放大器AD797，它需要10.5 mA的最大电源电流才能实现0.9 nV/√Hz。由两个运算放大器AD797和一个低功耗差动放大器构成的分立G = 2000低噪声仪表放大器可以使用超过21 mA的电流来实现1.45 nV/√Hz噪声RTI，由两个运算放大器和一个30.15 Ω电阻提供。

除了并联使用多个放大器的电源考虑因素外，设计人员还必须考虑热环境。采用±5 V电源的单个AD8428由于内部功耗而具有约8°C的温升。如果许多设备靠近放置或放置在封闭空间中，它们可以相互加热，应考虑热管理技术。

使用SPICE进行模拟

虽然它不应用作原型设计的替代品，但使用SPICE进行电路仿真可能是验证此类电路理念的有用第一步。为了验证该电路，使用ADIsimPE仿真器和AD8428 SPICE宏模型来仿真两个器件并联时的电路性能。图3所示的结果显示了预期的行为：增益为2000，噪声降低30%。

图3.SPICE仿真结果。

测量结果

使用四个AD8428的整个电路是在工作台上测量的。测得的RTI噪声在1 kHz时的频谱密度为0.7 nV/√Hz，在0.1 Hz至10 Hz范围内具有25 nV p-p。这比许多纳伏表的噪声要低。测得的噪声频谱和峰峰值噪声分别如图4和图5所示。

图4.测量电路的电压噪声频谱如图1所示。

图5.测得的电路的0.1 Hz至10 Hz RTI噪声如图1所示。

结论

纳伏灵敏度是一个困难的目标，带来了许多设计挑战。对于需要低噪声和高增益的系统，AD8428仪表放大器具有实现高性能设计所需的特性。此外，其独特的配置使其能够将这种不寻常的电路添加到纳伏工具箱中。

审核编辑：郭婷