利用自動歸零噪聲濾波器降低儀表放大器的輸出噪聲

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(dá)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(hù)儀(ECG)，這種監(jiān)護(hù)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(dá)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(biāo)準(zhǔn)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(yùn)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(xì)內(nèi)容，請參考Maxim 網(wǎng)站。



圖1. 傳統(tǒng)的三運(yùn)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(jìn)行抑制。C 為高增益放大器，通過R1 和R2 提供負(fù)反饋。負(fù)反饋環(huán)路強(qiáng)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：

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(fù)電位檢測。

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(zhǔn)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(zhǔn)。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(zhǔn))；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(dá)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，MAX4209H 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，MAX4209H 輸入?yún)⒖荚肼暶芏惹€



圖6. 無反饋電容、電容等于1nF 和10nF 時，MAX4209H 輸入?yún)⒖荚肼暤腞MS 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(jìn)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。


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，MAX4209H 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，MAX4209H 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。