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xinhaotiaolidexitongzhong。cileixitongshengchengdexinhaotairuo，wufazhijieweishujuzhuanhuanqisuoyong。yixiechuanganqishengchengdezhaidaixinhaodeqiangdukenengfeichangweiruo，eryouxiechuanganqikezaijiaokuandaikuanfanweineichanshenggezhongpinlvdeshibianxinhao
，zaizheliangzhongqingkuangxia，douxuyaojiangzhexiexinhaofangdazhigaoyuxitongdezaodi。zaigaogongmodianya(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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