最佳噪声性能的信号调理

在测量毫伏级信号时，希望设计最低成本的信号调理电路来达到所要求的精度。

　　为了测量信号到所标定的分辨率，可以用高分辨率转换器，或在测量前放大信号，用较低成本、较低分辨率的ADC。其选择部分地依赖于元件成本和元件数,而容易组装是更重要的。在之前增加放大可降低所需分辨率,但也会降低满标输入范围。例如,用增益放大器放在位(满标范围)前面,将使电路分辨率从增加,同时,电路满标输入范围降到。在小信号范围下,需要用放大器和少量电阻来放大信号。这样可以满足设计低成本的目标。

　　放大器模式

1)。选择,,设置信号增益为。输出时有噪声,不能测量小信号精度像希望的那样。噪声来自何处?下面将说明此电路噪声源,这将有助于选择最好的元件,使设计具有最佳的噪声性能。

60Hz拾取、和引起的失真。这些寄生源是决定性的,它们可以模拟位于电路适当位置的单独电压和电流源。这些寄生信号与频率有关,可表示为运放输入处所输入的电压或电流源。在探测信号调理电路输入时,所得到的信号很纯。但在探测输出时存在很多噪声。用低噪声放大器有助于降低噪声,最好性能的放大器成本非常高。图示出增益的放大器输出噪声与噪声密度关系。

 

　　图1 非倒相和倒相增益配置

 

　　图2 增益1000放大器输出噪声与噪声密度关系

　　影响噪声的因数

1加上噪声源变为图(其中表示在节点的源电阻)。这里有个分离噪声源：个电阻热噪声,运放电压噪声却有自己的贡献。一般用在有关输入的表示噪声,但往往计算输出噪声()更简单,用除放大器噪声增益得到噪声。

 

　　其中fclose-loop 是闭环频率

　　应用中的量化噪声

1个电阻器具有电阻热噪声(为玻耳兹曼常数×-23J/K,是绝对温度,是带宽,是电阻)。注意,这是一个固有的特性,电阻所用的和电阻值分别具有和电阻热噪声。不同电阻值的电阻热噪声不同。因此,选择正确的电阻器,使得对电路所增加的噪声最小是关键。

3所示的、、。电压噪声差分出现在两个输入。电压噪声密度(图)用∫表示,电流噪声密度表示为∫。放大器噪声依赖于输入级工作电流、器件工艺类型和输入电路结构。

In+、)流经阻抗时它才是重要的,从而,产生噪声电压。因而在运放电路和输入保持低阻抗,可使电流噪声影响最小。例如,具有低电压噪声(√)和高电流噪声(√)的运放。用零源阻抗,则电压噪声将处于支配地位。用中等源阻抗(如Ω),则来自电流源的噪声影响(√电流噪声流径)7nV/√)是处于支配地位。用大的源阻抗(例如Ω),电流噪声部分增加到√,电压噪声不变化,电阻热噪声(正比于电阻平方根)增加十倍。因此,电流噪声处于支配地位。特低噪声运放具有√电压噪声和√电流噪声。电流噪声将不会处于支配地位直到电路阻抗变得非常大为止。

　　确保最佳噪声性能

1增益带宽外,必须考虑另一个重要因数——电路增益。电阻比可规为信号和噪声增益。噪声被噪声增益(倒相和非倒相配置皆为)放大。

RTO,RTI噪声

 

　　图3 带噪声源的信号调理

 

　　图4 放大器的电压噪声密度

 

　　图5 带电抗元件的运放模型

1MHz)、较小电阻值(=Ω,Ω)较低增益()的放大器。做为一个实例,测量信号,输出信号将是。放大器拾取∫噪声,将产生 或μ峰值噪声。这允许使用位。

5所示电路表示一个阶系统,其中表示源电容、倒相输入端的杂散电容和运放输入电容的组合。导致噪声增益断点,所以,必须增加来保证稳定。

C1和会使噪声增益变为频率的函数,峰值处在较高的频率(假定所选使阶系统严重衰减)。若简单做到1C1=R2C2,则可以实现平坦的增益。