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应用自动归零噪声滤波器降低仪表放大器的输出

作者:admin 发布时间:2019-05-15 12:09

  仪表放大器通常用于在高共模电压场所放大一个小的差分信号,有些应用请求高精度放大用具有超低失调和漂移、低增益误差和高共模抑止比(CMRR)。
  本文倡议设计人员思索运用自动归零放大器来到达上述应用的请求。自动归零放大用具有低电压失调、漂移,提供较高的增益和共模抑止比。但这类放大器有一个缺陷:在自动归零频率及其倍频上存在明显的噪声。自动归零频率位于典型仪表放大器的有效带宽以外。有些应用中,仪表放大器的输出直接衔接到模/数转换器(ADC),这些噪声会直接影响系统的性能。本应用笔记引见了一种简单的滤波技术,用来降低自动归零噪声,可以以最少的外围元件配合自动归零仪表放大器完成一个新颖的间接电流反应架构。
  仪表放大器的典型应用
  仪表放大器在医疗系统中最盛行的一种应用是心电监护仪(ECG),这种监护仪应用与人体皮肤相接触的传感器监测心率。ECG传感器成对运用,检测十分弱的差分信号,通常只要几百微伏到几个毫伏,并随同有较大的失调电压。例如,病人的左、右臂之间的失调电压可能到达200mV。差分交流信号经过具有高直流共模抑止比的仪表放大器放大,放大电路还采用了高通滤波器,以消弭不同传感器所产生的不同直流成分。
  由于仪表放大器通常放置在整个放大链路的第一级,请求具备高输入阻抗和高CMRR。另外,由于输入差分信号处于亚毫伏级,放大器需求在规范的0.05Hz至150Hz带宽内提供高增益。整个模仿链路的增益通常在1000倍,因而,第一级仪表放大器的增益最好在20至100范围内。思索到高增益的需求,必需尽可能降低输入失调电压(VOS),以确保足够的输出动态范围。
应用自动归零噪声滤波器降低仪表放大器的输出噪声
  抑止临近设备及电力线的50Hz/60Hz噪声是ECG设计的根本请求,因而,仪表放大器在50Hz/60Hz频率处具有高CMRR和电源抑止比(PSRR)成为一个影响设计的关键要素。最后,带有关断功用的低功耗器件也是许多便携式ECG系统设计的根本需求。
  间接电流反应架构
  作为一种新型仪表放大器,Maxim具有专利的间接电流反应架构*与传统的三运放架构(图1)相比具有一些重要优势。关于间接电流反应架构的细致内容,请参考Maxim网站。:
  VOUT=VIN×(1+R2/R1)
  其中:VIN=VIN+VIN
  与传统计划相比,这种间接电流反应架构有两个重要优点:
  输入共模电源在第一级即被抑止掉,使得仪表放大器能够采用单电源供电并可在整个增益范围内处置零电位或负电位检测。
  放大器增益经过两个内部匹配电阻设置,大大进步了增益精度。
  自动归零放大器的根本原理
  为了连续校准放大器的失调电压,自动归零放大器用一个“零”放大器并联在信号途径上,内部振荡器工作在自动归零频率(fC),典型值为几十kHz。工作过程分为两个阶段,如图3所示。自动归零阶段:两个开关都置于1,电容(C1)充电到归零放大器(A2)的失调电压。主放大器(A1)的失调电压(由C2坚持)经过NULL引脚校准。放大阶段:两个开关都置于位置2;C1坚持归零放大器的失调电压(曾经经过NULL引脚校准);A1的失调电压由A2丈量并保管在C2上。
  自动归零放大器组成了一个数据采样系统,由此会产生采样或自动归零频率fC与信号频率(fS)的和与差。为防止混叠失真,信号带宽限制在fC的一半以下。
  自动归零技术可以使放大器大大降低输入失调电压VOS,降至几个微伏,失调电压漂移到达每摄氏度几非常之一微伏。假如fC比噪声截止频率高很多,1/f噪声依然能够被抑制掉。理论上,自动归零放大器不存在1/f噪声,但是,斩波操作在较宽频带内增大了输出白噪声。
  降低自动归零频率左近的噪声
  MAX4209是一个间接电流反应仪表放大器,由于内置自动归零电路,具有十分高的直流精度。在有些应用中,MAX4209的输出直接衔接到ADC,滤除其输出噪声可有效改善系统性能。输出噪声是由宽带白噪声和自动归零频率fC以及其倍频处的毛刺组成。特别是在ADC的采样频率与自动归零频率fC之差落在有效频带时,引入这个滤波器更为重要。本文给出的测试结果采用的是固定增益为100的MAX4209H,器件的信号带宽为7.5kHz,fC约为45kHz。由放置在放大器OUT和FB引脚间的外置电容(C)和内部电阻(R2)并联构成一阶低通滤波器,滤波器的极点由C和R2决议,MAX4209H内部的R2是99kΩ,图4为噪声丈量电路。
  设计人员需求依据详细应用在所请求的噪声抑止和信号带宽限制之间停止折衷。下表归结了没有外接电容、C=1nF和C=10nF条件下的折衷选择。
  有些应用中,假如对噪声抑止有更高请求,能够采用比反应电容更多的外部滤波元件,在放大器输出端衔接一个简单的RC低通滤波器能够提供更高的噪声衰减。图7和图8给出了用RL=39Ω、CL=760nF作为输出低通滤波器时的输入参考噪声曲线。对应这些元件值,RC滤波器的极点在5kHz左近,在45kHz自动归零频率fC处提供大约18dB的衰减。
  结论
  关于高共模电压下放大微小输入信号的应用,仪表放大器必需坚持极低的失调电压、漂移和极高的增益精度以及高CMRR。自动归零的间接电流反应放大器可以满足这些性能需求,但会增大输出噪声。本文经过一个十分简单的办法(即增加一个外置电容或最多3个外置元件),可有效降低间接电流反应放大器MAX4209的噪声。