作者:東莞市中昊自動化科技有限公司   發(fā)布時間:2014/3/31 13:35:29   瀏覽次數(shù):2557

接近傳感器電路的低噪聲信號調(diào)理
隨著模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器分辨率的提高以及電源電壓的降低，最低有效位（LSB）變得更小，這使得信號調(diào)理任務(wù)變得更加困難。由于信號大小更接近于本底噪聲，因此，必須對外部和內(nèi)部噪聲源（包括Johnson、散粒、寬帶、閃爍和EMI）進行處理。
不相關(guān)的噪聲源采用平方根和(RSS)的形式進行疊加 ：
(1)另一方面，其它相關(guān)噪聲源，如輸入偏置電流消除等，必須采用帶有相關(guān)因子的RSS形式進行疊加。
(2)所示的是典型信號調(diào)理電路中的噪聲源，以及可用于反相、同相、差分及其它通用配置的通用公式。
2正確的設(shè)計方法
從接近傳感器及其特征噪聲、阻抗、響應(yīng)和信號幅度入手，實現(xiàn)最低的折合到輸入端(RTI)噪聲將能夠優(yōu)化信噪比(SNR)。
與先解決增益和功耗需求、然后再努力應(yīng)對噪聲問題的方法相比，圍繞著低噪聲來解決問題將更加有效。這是一個重復(fù)的過程，首先考慮放大器的工作區(qū)：寬帶或1/f。接著，挑選合適的有源器件，設(shè)計最佳的噪聲特性。在放大器周圍放置無源器件，并限制帶寬。然后分析非噪聲需求，如輸入阻抗、電源電流和開環(huán)增益。如果沒有達到噪聲指標，則重復(fù)這一過程，直到獲得可以接受的解決方案為止。
3運算放大器的選擇
在一些情況下，寬帶噪聲為22nV/的運算放大器可能優(yōu)于寬帶噪聲為10nV/的器件。如果接近傳感器工作在極低的頻率下，那么，具有低1/f噪聲的放大器可能是最好的。
ADI公司的OP177等標準放大器的噪聲頻譜密度類似于(a)的曲線。而自穩(wěn)零放大器能連續(xù)校準輸入端隨時間和溫度的變化而出現(xiàn)的任意誤差。由于1/f噪聲漸進的逼近直流，放大器也能校準這一誤差。(b)所示，第一代自穩(wěn)零放大器不表現(xiàn)出1/f噪聲，因而適用于低頻接近傳感器信號調(diào)理。(c)所示，第二代自穩(wěn)零放大器具有較低的寬帶噪聲（22nV/），通過PSpice宏模型能精確的仿真放大器電壓噪聲，顯示出1/f噪聲已被消除。
4軌到軌輸入
對于低壓設(shè)計來說，軌到軌（RR）輸出和輸入可能是適合的。當共模輸入從一條軌轉(zhuǎn)到另一條軌時，一個差分輸入對停止工作，另一個差分輸入對則接著工作。失調(diào)電壓和輸入偏置電流可能突然變化，引起如所示的失真。對于低噪聲設(shè)計來說，請檢查對軌到軌輸入特性的需求。

為了解決這個問題，ADI公司的AD8506 等運算放大器使用內(nèi)部電荷泵來消除輸入電壓交越失真。如果設(shè)計不正確，而使電荷泵產(chǎn)生的噪聲落入有用頻帶時，這些噪聲將會出現(xiàn)在輸出端，引起問題。

接近傳感器電路的低噪聲信號調(diào)理

5偏置電流消除
最新的雙極性運算放大器使用一種技術(shù)來消除輸入偏置電流造成的部分影響，這個技術(shù)會增加不相關(guān)或相關(guān)的電流噪聲。對于一些放大器來說，相關(guān)噪聲可能大于不相關(guān)噪聲。例如，為ADI公司的OP07增加阻抗平衡電阻，就能改進整體噪聲。表1 比較了ADI公司兩款廣泛應(yīng)用的運算放大器，一款是用較高電壓噪聲換取較低電流噪聲的OP07，另一款是OP27。
從可獲得的低噪聲器件中選擇三到四個器件?？紤]工藝技術(shù)，尋找自穩(wěn)零、斬波和偏置電流消除等專業(yè)設(shè)計技術(shù)。從晶圓照片查看輸入晶體管區(qū)域，大輸入晶體管的噪聲較低，但具有大的輸入電容，而CMOS和JFET放大器的電流噪聲遠小于雙極性器件。低噪聲設(shè)計要使用小電阻，所以放大器輸出驅(qū)動必須足夠大，以驅(qū)動大負載。
6無源元件的選擇
選擇放大器之后，在放大器周圍放置合適的電阻和電容，而這些元件也有噪聲。 所示的是使用錯誤的電阻值所造成的影響。輸出噪聲隨著用于設(shè)置增益的電阻的增大而增大。
中三種情形的增益都是1000。
了解接近傳感器的特性是非常重要的。忽略R1和R2的噪聲，集中考慮源阻抗R的噪聲，顯示出當R值較小時，電壓噪聲占主導(dǎo)地位；當R值為中等大小時，John噪聲占主導(dǎo)；當R值較大時，電流噪聲的貢獻較大。因此，低輸出阻抗的接近傳感器應(yīng)該使用小電阻和具有低電壓噪聲的運算放大器。
除電阻之外，電容也能用于補償和減小噪聲。電抗元件不增加任何噪聲，但流經(jīng)它們的噪聲電流將產(chǎn)生噪聲電壓，影響計算?？傊?，重要的是在放大器周圍使用低阻抗來降低電流噪聲、熱噪聲和EMI雜散干擾拾取的影響。