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儀表放大器的失調電壓與噪聲參數(shù)分析與仿真

發(fā)布時間:2021-04-08 責任編輯:lina

【導讀】通過上一篇《儀表放大器的特性與工作電壓配置方法》,介紹了儀表放大器內部兩級放大電路工作方式,這種結構導致儀表放大器的失調電壓、噪聲參數(shù)與通用放大器的失調電壓、噪聲參數(shù)的評估方式不同,本篇將對此進行分析與仿真。

通過上一篇《儀表放大器的特性與工作電壓配置方法》,介紹了儀表放大器內部兩級放大電路工作方式,這種結構導致儀表放大器的失調電壓、噪聲參數(shù)與通用放大器的失調電壓、噪聲參數(shù)的評估方式不同,本篇將對此進行分析與仿真。
 
1 儀表放大器失調電壓分析
 
由于儀表放大器內部的兩級放大器都存在失調電壓,如圖3.1中AMP1,AMP2所在的第一級放大器的失調電壓,如果折算到輸出端,需要乘以電路增益。AMP3所在的第二級放大器的失調電壓,如果折算到輸入端,需要除以電路增益。
 
儀表放大器的失調電壓與噪聲參數(shù)分析與仿真
圖3.1 儀表放大器結構
 
上述的第一級放大器的失調電壓稱為輸入失調電壓(Input Offset Voltage, VOSI),第二級放大器的失調電壓稱為輸出失調電壓(Output Offset Voltage, VOSO)??傒敵鍪д{電壓Total Vos_RTO為式3-8。
 
儀表放大器的失調電壓與噪聲參數(shù)分析與仿真
 
其中,G為增益。這也是儀表放大器在切換增益后,線性誤差發(fā)生變化的原因。
 
如圖3.10,以AD8421ARZ為例,在25℃環(huán)境中,使用±15V供電,輸入失調電壓最大值為60μV,輸出失調電壓最大值為350μV。在增益為1倍的電路中,AD8421ARZ輸出總失調電壓最大值為410uV。在增益為100倍的電路中,總輸出失調電壓最大值6.35mV。
 
儀表放大器的失調電壓與噪聲參數(shù)分析與仿真
 
3.10 AD8421失調電壓參數(shù)
 
如圖3.11(a),使用LTspice設計AD8421在增益為1倍,供電電源為±15V。如圖3.11(b),輸出總失調電壓的瞬態(tài)分析結果為412.292μV,等同于理論計算值。
 
儀表放大器的失調電壓與噪聲參數(shù)分析與仿真
 
圖3.11 AD8421增益1倍電路的總輸出失調電壓瞬態(tài)分析結果
 
如圖3.12(a),使用LTspice設計AD8421為±15V供電,增益為100倍的電路。輸出總失調電壓瞬態(tài)分析結果,如圖3.12(b),為6.353mV,等同于理論計算值。
 
儀表放大器的失調電壓與噪聲參數(shù)分析與仿真
 
3.12 AD8421增益為100倍電路的總輸出失調電壓瞬態(tài)分析結果
 
2儀表放大器噪聲分析
 
儀表放大器的電壓噪聲有兩個來源。一是輸入端串聯(lián)的噪聲源ENI,如通用放大器一樣。通過電路增益折算到輸出端。二是儀表放大器輸出端串聯(lián)的噪聲電壓源ENO,除以電路增益折算到輸入端。如圖3.13,在25℃環(huán)境中,±15V電源供電時,1KHz處AD8421輸入電壓噪聲密度eni最大值為3.2 nV/√Hz,輸出電壓噪聲密度eno最大值為60nV/√Hz。
 
儀表放大器的失調電壓與噪聲參數(shù)分析與仿真
 
3.13 AD8421噪聲參數(shù)
 
儀表放大器輸入端的電流噪聲源也有兩個,分別是iN+和iN–。盡管兩個電流噪聲近似相等。如圖3.13,25℃環(huán)境中,±15V電源供電時,在1KHz處AD8421電流噪聲譜密度in最大值為0.2 pA/√Hz。但iN+和iN–不相關,必須以均方根的方式求和。iN+流過信號源電阻RS的一半,iN–流過信號源電阻RS另一半。產生的兩個噪聲電壓幅度各為INRS的一半。這兩個噪聲源通過電路增益折算到輸出端。
 
儀表放大器的增益電阻也會產生一個噪聲源,通過電路增益折算的輸出。
由此儀表放大器總輸出噪聲的RMS值,為式3-9。    
 
儀表放大器的失調電壓與噪聲參數(shù)分析與仿真
 
其中,BW為1.57倍的信號帶寬。
 
如圖3.14(a),使用AD8421配置為1倍增益(Rg取消)的電路,信號源內阻設置為0,在0.1~10KHz頻率內,輸出噪聲電壓RMS最大值約為:
 
儀表放大器的失調電壓與噪聲參數(shù)分析與仿真
 
儀表放大器的失調電壓與噪聲參數(shù)分析與仿真
圖3.14 AD8421增益為1倍的電路噪聲分析結果
 
噪聲分析結果如圖3.14(b),AD8421的總輸出噪聲RMS值為5.59μV小于7.52μV。
 
如圖3.15(a),電路配置為100倍增益(Rg為100Ω),信號源內阻設置為0,在0.1~10KHz頻率內,輸出噪聲電壓RMS最大值近似為:
 
儀表放大器的失調電壓與噪聲參數(shù)分析與仿真
 
噪聲分析結果如圖3.15(b),AD8421總輸出噪聲為34.315μV,小于43.76μV。
 
儀表放大器的失調電壓與噪聲參數(shù)分析與仿真
圖3.15 AD8421增益為100倍電路的噪聲分析
 
綜上,在針對儀表放大器的失調電壓、噪聲參數(shù)分析時,根據(jù)內部兩級放大器的失調電壓,噪聲以及電路配置的增益折算到輸入端、或者輸出端進行總失調電壓、總噪聲的評估。
(來源:放大器參數(shù)解析與LTspice仿真,作者:鄭薈民)
 
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