用少量元件实现噪声减半的自动调零放大器的设计

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Analog Devices AD8553自动调零仪表放大器有一个独特的结构,它的两只增益设定电阻没有公共节点(参考文献1)。该IC的前级是一个精密电压/电流转换器,其中增益电阻R1设定了互导的大小。IC的后级是一个精密电流/电压转换器,与反馈电阻R2的值共同确定了总体电压增益,即G=2(R2/R1)。会发现,两只增益设定电阻是相互独立的,输入级是一个压控电流源,可以减少有极端降噪需求的放大器的元件数。

图1AD8553仪表放大器有独特的架构带有一个输入电压/电流转换器用很少元件就能实现 50%的降噪


  有两种方式,用更多的放大器来降低噪声。首先,假设放大器中的随机噪声源互相独立。另外,假设噪声服从一种高斯分布。当对传统电压放大器输出作均化时,可以用N只放大器和三倍数量的电阻,将噪声降低到1/√N(参考文献2)。AD8553的内部结构可以只用N+1只电阻,将几乎无限数量的IC并行工作。通过将更多IC的相应输入端并联,连接起来的内部电压/电流源也很容易并行工作(图1)。多只IC的并联输入端有微伏级的输入电压偏置失配,在这里是无害的,因为电压/电流转换器的输出电阻理论上是无限大。

  N个输入级并联的最终结果是,它们的输出电流为N(VINP-VINN)/(2R1),或者是单只IC的N倍。只要使用N只IC电流/电压级中的一级。该级的反馈电阻阻值为R2/N,其中R2是对应于单只IC所需电压增益AV的值。由于放大器IC中的主要噪声源是其输入级,可以假设N个并联电压/电流转换器的输出电流随机成份的标准差为sNI=sI×√N,其中sI是一个电压/电流转换器的输出电流随机成份的标准差。这些结果与参考文献2中所述有差别,该文作者是通过多个电压的平均来实现降噪。另一方面,图1中电压/电流转换器公共输出的电流确定部分是单只IC值的N倍。下列公式用于计算RSNR(相对信噪比),它定义为对输出噪声标准差的输出电流:RSNRN=(N×I)/(sI×√N)=√N×RSNR1。公式的含意是:与单只IC相比,实际电路噪声降低了1/√N。

 

 

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