什麼是低噪聲儀表放大器?

 

低(di)噪(zao)聲(sheng)儀(yi)表(biao)放(fang)大(da)器(qi)是(shi)一(yi)種(zhong)非(fei)常(chang)靈(ling)敏(min)的(de)器(qi)件(jian)，它(ta)能(neng)夠(gou)在(zai)嘈(cao)雜(za)的(de)環(huan)境(jing)中(zhong)或(huo)出(chu)現(xian)較(jiao)高(gao)不(bu)感(gan)興(xing)趣(qu)電(dian)壓(ya)的(de)條(tiao)件(jian)下(xia)對(dui)非(fei)常(chang)微(wei)弱(ruo)的(de)信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)測(ce)量(liang)。放(fang)大(da)器(qi)通(tong)過(guo)抑(yi)製(zhi)兩(liang)個(ge)輸(shu)入(ru)端(duan)的(de)共(gong)模(mo)電(dian)壓(ya)和(he)放(fang)大(da)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)的(de)差(cha)值(zhi)來(lai)測(ce)量(liang)信(xin)號(hao)。低(di)噪(zao)聲(sheng)儀(yi)表(biao)放(fang)大(da)器(qi)寬(kuan)帶(dai)噪(zao)聲(sheng)極(ji)低(di)且(qie)1/f噪聲轉折頻率低，因此，能滿足大多數精確應用的需要。

 

哪種係統需要低噪聲儀表放大器?

 

通常
，低噪聲儀表放大器用在需要精密放大功能和需要傳感器信xin號hao調tiao理li的de係xi統tong中zhong。此ci類lei係xi統tong生sheng成cheng的de信xin號hao太tai弱ruo，無wu法fa直zhi接jie為wei數shu據ju轉zhuan換huan器qi所suo用yong。一yi些xie傳chuan感gan器qi生sheng成cheng的de窄zhai帶dai信xin號hao的de強qiang度du可ke能neng非fei常chang微wei弱ruo

，而er有you些xie傳chuan感gan器qi可ke在zai較jiao寬kuan帶dai寬kuan範fan圍wei內nei產chan生sheng各ge種zhong頻pin率lv的de時shi變bian信xin號hao
，在zai這zhe兩liang種zhong情qing況kuang下xia，都dou需xu要yao將jiang這zhe些xie信xin號hao放fang大da至zhi高gao於yu係xi統tong的de噪zao底di。在zai高gao共gong模mo電dian壓ya(通常為交流電力線頻率)條件下，係統必須在噪聲環境下保持其應有的性能。

 

什麼應用需要用到這種放大器？

 

低噪聲儀表放大器可應對當今某些最嚴峻的挑戰。這些挑戰要求信號監控、數據分析和物理測量工具具備精密放大功能。它們的應用場合如下：

 

• 采礦和能源開采所需的數據記錄係統

• 用於校正心律失常的心髒導管消融術所需的手術器械

• 用於提高機械和車輛安全性的模態振動分析工具

 

其它應用包括麥克風前置放大器、聲波換能器、壓電傳感器調理、血壓監測儀、腦瘤診斷儀(EEG)、心髒監護儀(ECG)、磁傳感器調理和功率監測儀。

 

如何確定儀表放大器的噪聲規格？

 

像運算放大器一樣，儀表放大器將噪聲規定為折合到輸入端噪聲(RTI)。也就是說，出現在放大器輸入端的都會計入。但與運算放大器不同的是，儀表放大器還具有輸出級的噪聲(e_no)，必須用該值除以增益，以獲得RTI值。折合到放大器輸出端的噪聲(RTO)等於RTI噪聲與放大器的增益的乘積。

 

如何計算總噪聲密度
？

 

儀表放大器的一個簡單的噪聲模型見圖1。如ru需xu獲huo得de總zong噪zao聲sheng
，必bi須xu要yao考kao慮lv放fang大da器qi輸shu入ru端duan的de源yuan電dian阻zu。任ren何he與yu儀yi表biao放fang大da器qi相xiang連lian的de傳chuan感gan器qi都dou有you輸shu出chu電dian阻zu，電dian阻zu值zhi可ke能neng因yin傳chuan感gan器qi的de類lei型xing不bu同tong而er有you較jiao大da差cha異yi。串chuan聯lian電dian阻zu用yong於yu保bao護hu儀yi表biao放fang大da器qi，這zhe些xie電dian阻zu阻zu值zhi之zhi和he構gou成cheng了le總zong源yuan電dian阻zu(以R_S表示)，見圖1。該電阻值對噪聲的影響有兩方麵。無論製作多麼精良的電阻都會產生極低的熱噪聲，該噪聲與阻值的平方根成比例。此外
，電流噪聲(i_ni)通過R_S可轉化為電壓噪聲。因此，三個主要噪聲源為：與R_S無關的電壓噪聲(e_ni和e_no)
、源電阻的熱噪聲(e_ns)和電流噪聲(i_ni)。

 

圖1. 簡單的儀表放大器噪聲模型

 

將這些噪聲綜合起來，可以獲得總噪聲密度，計算公式如下：

 

 

如何選擇最符合應用需要的低噪聲儀表放大器
？

 

輸入電壓噪聲數值(nV/√Hz)最低的儀表放大器不一定是最佳低噪聲儀表放大器。在對噪聲敏感的應用中，為找到最佳放大器，必須考慮增益、源電阻和頻率範圍。圖2顯示了ADI公司三款儀表放大器的總噪聲，以在幾乎全部源電阻條件下提供最佳噪聲性能。

 

圖2. 總噪聲與源阻抗的關係

 

注意，無論選擇哪種放大器，當R_S值較低時，電壓噪聲為主要噪聲，而R_S值較高時，電流噪聲為主要噪聲。在給定源電阻值的情況下，可以利用下麵公式決定哪種噪聲為主要噪聲。

 

 

 

如果源電阻低於R_L，則電壓噪聲為主要噪聲，這時，應該選擇電壓噪聲較低的放大器。而如果源電阻高於R_H，則電流噪聲為主要噪聲，這時，應該選擇電流噪聲較低的放大器。在上述示例中，當RS值在5 kΩ至10 kΩ之間時，這些放大器的噪聲性能會非常接近，甚至相同。這時
，需要考慮優化係統的其它參數(如：帶寬
、功率、失真、成本)。

 

我可以自己構建低噪聲儀表放大器嗎？

 

可以自己構建分立式低噪聲儀表放大器
，但必須克服某些困難。例如：必須保證高共模抑製、低漂移、高(gao)帶(dai)寬(kuan)和(he)低(di)失(shi)真(zhen)。要(yao)在(zai)分(fen)立(li)設(she)計(ji)中(zhong)實(shi)現(xian)這(zhe)些(xie)參(can)數(shu)相(xiang)當(dang)困(kun)難(nan)
，必(bi)須(xu)用(yong)到(dao)多(duo)種(zhong)器(qi)件(jian)
，調(tiao)整(zheng)的(de)成(cheng)本(ben)非(fei)常(chang)高(gao)，功(gong)耗(hao)較(jiao)高(gao)
，而(er)且(qie)占(zhan)用(yong)電(dian)路(lu)板(ban)的(de)麵(mian)積(ji)也(ye)比(bi)較(jiao)大(da)。ADI公司提供的低噪聲儀表放大器可以為各種應用提供更好的解決方案。

 

參考文獻

 

¹ 視頻：“儀表放大器電路的噪聲。”

² MT-065指南，儀表放大器噪聲(ADI)。

³ AN-940應用筆記，最佳噪聲性能：低噪聲放大器選擇指南(ADI)。

 

 

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