利用自動歸零噪聲濾波器降低儀表放大器的輸出噪聲

本文介紹了一個簡單的降低自動歸零、間接電流反饋儀表放大器輸出噪聲的技術(shù)，以MAX4209儀表放大器為例提供了一個參考設(shè)計。

引言

儀表放大器通常用于在高共模電壓場合放大一個小的差分信號，有些應(yīng)用要求高精度放大器具有超低失調(diào)和漂移、低增益誤差和高共模抑制比(CMRR)。本文建議設(shè)計人員考慮使用自動歸零放大器來達到上述應(yīng)用的要求。

自動歸零放大器具有低電壓失調(diào)、漂移，提供較高的增益和共模抑制比。但這類放大器有一個缺點：在自動歸零頻率及其倍頻上存在明顯的噪聲。自動歸零頻率位于典型儀表放大器的有效帶寬以外。有些應(yīng)用中，儀表放大器的輸出直接連接到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，這些噪聲會直接影響系統(tǒng)的性能。

本應(yīng)用筆記介紹了一種簡單的濾波技術(shù)，用來降低自動歸零噪聲，能夠以最少的外圍元件配合自動歸零儀表放大器實現(xiàn)一個新穎的間接電流反饋架構(gòu)。

儀表放大器的典型應(yīng)用

儀表放大器在醫(yī)療系統(tǒng)中最流行的一種應(yīng)用是心電監(jiān)護儀(ECG)，這種監(jiān)護儀利用與人體皮膚相接觸的傳感器監(jiān)測心率。ECG傳感器成對使用，檢測非常弱的差分信號，通常只有幾百微伏到幾個毫伏，并伴隨有較大的失調(diào)電壓。例如，病人的左、右臂之間的失調(diào)電壓可能達到200mV。差分交流信號通過具有高直流共模抑制比的儀表放大器放大，放大電路還采用了高通濾波器，以消除不同傳感器所產(chǎn)生的不同直流成分。

由于儀表放大器通常放置在整個放大鏈路的第一級，要求具備高輸入阻抗和高CMRR。另外，由于輸入差分信號處于亞毫伏級，放大器需要在標準的0.05Hz至150Hz帶寬內(nèi)提供高增益。整個模擬鏈路的增益通常在1000倍，因此，第一級儀表放大器的增益最好在20至100范圍內(nèi)?？紤]到高增益的需求，必須盡可能降低輸入失調(diào)電壓(VOS)，以確保足夠的輸出動態(tài)范圍。

抑制鄰近設(shè)備及電力線的50Hz/60Hz噪聲是ECG設(shè)計的基本要求，因此，儀表放大器在50Hz/60Hz頻率處具有高CMRR和電源抑制比(PSRR)成為一個影響設(shè)計的關(guān)鍵因素。最后，帶有關(guān)斷功能的低功耗器件也是許多便攜式ECG系統(tǒng)設(shè)計的基本需求。

間接電流反饋架構(gòu)

作為一種新型儀表放大器，Maxim擁有專利的間接電流反饋架構(gòu)*與傳統(tǒng)的三運放架構(gòu)(圖1)相比具有一些重要優(yōu)勢。關(guān)于間接電流反饋架構(gòu)的詳細內(nèi)容，請參考Maxim網(wǎng)站。

作為一種新型儀表放大器，間接電流反饋架構(gòu)與傳統(tǒng)的三運放架構(gòu)(圖1)相比具有一些重要優(yōu)勢。關(guān)于間接電流反饋架構(gòu)的詳細內(nèi)容，請參見應(yīng)用筆記4034：“三運放架構(gòu)對儀表放大器的制約”。


圖1. 傳統(tǒng)的三運放儀表放大器結(jié)構(gòu)，虛線內(nèi)的電阻是器件的外部電阻。

圖2是MAX4209采用的新型間接電流反饋架構(gòu)。


圖2. MAX4209間接電流反饋儀表放大器

圖2中的A和B分別是兩個跨導(dǎo)放大器，從它們的差分輸入電壓產(chǎn)生輸出電流，并對共模輸入信號進行抑制。C為高增益放大器，通過R1和R2提供負反饋。負反饋環(huán)路強制放大器A和B的兩個差分輸入端相等。因此，放大器輸出和差分輸入VIN的關(guān)系如下：

VOUT = VIN × (1 + R2/R1)

其中：
VIN = VIN+ - VIN-

與傳統(tǒng)方案相比，這種間接電流反饋架構(gòu)有兩個重要優(yōu)點：

1. 輸入共模電源在第一級即被抑制掉，使得儀表放大器可以采用單電源供電并可在整個增益范圍內(nèi)處理零電位或負電位檢測。
2. 放大器增益通過兩個內(nèi)部匹配電阻設(shè)置，大大提高了增益精度。

自動歸零放大器的基本原理

為了連續(xù)校準放大器的失調(diào)電壓，自動歸零放大器用一個“零”放大器并聯(lián)在信號路徑上，內(nèi)部振蕩器工作在自動歸零頻率(fC)，典型值為幾十kHz。工作過程分為兩個階段，如圖3所示。自動歸零階段：兩個開關(guān)都置于1，電容(C1)充電到歸零放大器(A2)的失調(diào)電壓。主放大器(A1)的失調(diào)電壓(由C2保持)通過NULL引腳校準。放大階段：兩個開關(guān)都置于位置2；C1保持歸零放大器的失調(diào)電壓(已經(jīng)通過NULL引腳校準)；A1的失調(diào)電壓由A2測量并保存在C2上。


圖3. 自動歸零放大器的基本工作原理圖

自動歸零放大器組成了一個數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)，由此會產(chǎn)生采樣或自動歸零頻率fC與信號頻率(fS)的和與差。為避免混疊失真，信號帶寬限制在fC的一半以下。

自動歸零技術(shù)能夠使放大器大大降低輸入失調(diào)電壓VOS，降至幾個微伏，失調(diào)電壓漂移達到每攝氏度幾十分之一微伏。如果fC比噪聲截止頻率高很多，1/f噪聲仍然可以被抑制掉。理論上，自動歸零放大器不存在1/f噪聲，但是，斬波操作在較寬頻帶內(nèi)增大了輸出白噪聲。

降低自動歸零頻率附近的噪聲

MAX4209是一個間接電流反饋儀表放大器，由于內(nèi)置自動歸零電路，具有非常高的直流精度。在有些應(yīng)用中，MAX4209的輸出直接連接到ADC，濾除其輸出噪聲可有效改善系統(tǒng)性能。輸出噪聲是由寬帶白噪聲和自動歸零頻率fC以及其倍頻處的毛刺組成。特別是在ADC的采樣頻率與自動歸零頻率fC之差落在有效頻帶時，引入這個濾波器更為重要。

本文給出的測試結(jié)果采用的是固定增益為100的MAX4209H，器件的信號帶寬為7.5kHz，fC約為45kHz。由放置在放大器OUT和FB引腳間的外置電容(C)和內(nèi)部電阻(R2)并聯(lián)構(gòu)成一階低通濾波器，濾波器的極點由C和R2決定，MAX4209內(nèi)部的R2是99kΩ，圖4為噪聲測量電路。


圖4. MAX4209噪聲測量電路

圖5和圖6為輸入?yún)⒖荚肼暻€，包括三種不同測量：沒有外部電容C、C = 1nF和C = 10nF的情況。沒有電容C時，-3dB帶寬僅受限于MAX4209H (信號帶寬為7.5kHz)。


圖5. 無反饋電容、電容等于1nF和10nF時，MAX4209輸入?yún)⒖荚肼暶芏惹€


圖6. 無反饋電容、電容等于1nF和10nF時，MAX4209輸入?yún)⒖荚肼暤?a target="_blank">RMS值

設(shè)計人員需要根據(jù)具體應(yīng)用在所要求的噪聲抑制和信號帶寬限制之間進行折衷。下表歸納了沒有外接電容、C = 1nF和C = 10nF條件下的折衷選擇。

Capacitor (nF)	-3dB Bandwidth (Hz)	Total Input Referred Noise (μVRMS)
None	7500	117
1	1600	84
10	160	38

有些應(yīng)用中，如果對噪聲抑制有更高要求，可以采用比反饋電容更多的外部濾波元件，在放大器輸出端連接一個簡單的RC低通濾波器可以提供更高的噪聲衰減。圖7和圖8給出了用RL = 39Ω、CL = 760nF作為輸出低通濾波器時的輸入?yún)⒖荚肼暻€。對應(yīng)這些元件值，RC濾波器的極點在5kHz附近，在45kHz自動歸零頻率fC處提供大約18dB的衰減。


圖7. 外接RC輸出濾波器和不同反饋電容情況下，MAX4209的輸入?yún)⒖荚肼暶芏惹€


圖8. 外接RC輸出濾波器和不同反饋電容情況下，MAX4209輸入?yún)⒖荚肼暤腞MS值

結(jié)論

對于高共模電壓下放大微弱輸入信號的應(yīng)用，儀表放大器必須保持極低的失調(diào)電壓、漂移和極高的增益精度以及高CMRR。自動歸零的間接電流反饋放大器能夠滿足這些性能需求，但會增大輸出噪聲。本文通過一個非常簡單的方法(即增加一個外置電容或最多3個外置元件)，可有效降低間接電流反饋放大器MAX4209的噪聲。