无烦恼，高增益： 构建具有纳伏级灵敏度的低噪声仪表放大器

主要的权衡取舍来自功耗与噪声。AD8428具有极高的噪声-功耗效率，输入噪声密度为1.3 nV/√Hz（6.8 mA最大电源电流）。 为了进行对比，考虑低噪声AD797运算放大器——该器件需要10.5 mA最大电源电流来达到0.9 nV/√Hz。 一个分立式G = 2000低噪声仪表放大器采用两个AD797运算放大器和一个低功耗差动放大器构建，可以使用21 mA以上电流，实现两个运算放大器和一个30.15 Ω电阻贡献的1.45 nV/√Hz噪声RTI性能。

　　除了很多放大器并联连接使用的电源考虑因素外，设计人员还必须考虑热环境。 采用±5 V电源的单个AD8428因内部功耗会使温度上升约8°C。 如果很多个器件靠近放置，或者放置在封闭空间，则它们之间会互相传导热量，需考虑使用热管理技术。

　　SPICE仿真

　　SPICE电路仿真虽然不能代替原型制作，但作为验证此类电路构想的第一步很有用。 若要验证此电路，可以使用ADIsimPE仿真器和AD8428 SPICE宏模型仿真两个器件并联时的电路性能。 图3中的仿真结果表明该电路的表现与预期一致： 增益为2000，噪声降低30%。

　　图3. SPICE仿真结果

　　图4. 图1中电路的电压噪声频谱测量值

　　测量结果

　　在工作台上测量四个AD8428组成的完整电路。 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。 这比很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分别如图4和图5所示。

　　结论

　　纳伏级灵敏度目标非常难以达成，会遇到很多设计挑战。 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，该器件独特的配置允许将这个不寻常的电路加入其纳伏级工具箱内。

　　图5. 图1中电路测得的0.1 Hz至10 Hz RTI噪声

　　参考文献

　　MT-047指南：运算放大器噪声。

　　MT-048指南：运算放大器噪声关系：1/f噪声、均方根（RMS）噪声与等效噪声带宽。

　　MT-049指南：单极点系统的运算放大器总输出噪声计算。

　　MT-050指南：二阶系统的运算放大器总输出噪声计算。

　　MT-065指南：仪表放大器噪声。