AN-1114: 最低噪声的零漂移放大器提供5.6 nV/√Hz电压噪声密度 (Rev. B)

AN-1114
应用笔记
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最低噪声的零漂移放大器提供5.6 nV/√Hz电压噪声密度
作者:Vicky Wong
简介
ADA4528-1与传统斩波放大器
传感器产生的输出电压通常很低,需要通过具有高增益和
一直以来,斩波放大器的基带噪声相当大(参考表1),斩波
精密直流性能的信号调理电路进行调理。然而,放大器的
频率较低,致使它只能用在DC和频率低于100 Hz的应用。
失调电压、漂移和1/f噪声会引起误差,尤其会影响直流或
针对具有更大可用带宽的斩波放大器的应用要求,ADI公
低频、低电平电压测量。因此,必须最大程度地降低失调
司推出了ADA4528-1,这是半导体业内目前噪声最低的斩
电压和漂移,消除1/f噪声,以实现最佳的信号调理。零漂
波放大器。ADA4528-1运用了创新的斩波技术(采用自动校
移放大器实现了超低失调电压和漂移、高开环增益、高电
正反馈环路)且斩波频率比传统斩波放大器的斩波频率高5
源抑制、高共模抑制以及零1/f噪声,能够给精密应用设计
至10倍。
人员带来便利。
凭借200 Hz斩波频率和5.6 nV/√Hz超低电压噪声密度,此突
自稳零与斩波
破性设计让ADA4528-1在无法使用传统斩波放大器的更宽
正如其名,零漂移放大器的失调电压漂移近乎为零。放大
带宽应用中赢得一席之地。此外,ADA4528-1还具有0.3 μV
器连续自我矫正任何直流误差,以尽可能保持精确。零漂
失调电压、0.002 μV/°C失调电压漂移、158 dB共模抑制和
移放大器可以采用两种不同的技术来设计:自稳零或斩
150 dB电源抑制。这些规格非常适用于要求高增益放大低水
波。每种技术都有其优缺点,适合不同的应用。
平信号的应用和低噪声精密应用。此类应用包括精密电子
自稳零使用采样保持技术,由于噪声折回基带,其带内电
压噪声较大。而斩波使用信号调制和解调技术,具有更低
秤、传感器前端、称重传感器和桥式传感器、热电偶传感
器接口和医疗仪器。
的基带噪声,但在斩波频率及谐波处产生噪声频谱。因
此,斩波放大器更适合直流或低频应用,自稳零放大器则
更适合宽带宽应用。
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AN-1114
目录
简介...................................................................................................... 1
宽带噪声和外部源电阻考虑因素............................................ 4
自稳零与斩波 .................................................................................... 1
等效输出噪声计算 ...................................................................... 5
ADA4528-1与传统斩波放大器 ...................................................... 1
电压纹波........................................................................................ 6
修订历史 ............................................................................................. 2
ADA4528-1作为仪表放大器的应用 ............................................. 7
ADA4528-1斩波器架构 ................................................................... 3
结论...................................................................................................... 8
噪声特性 ............................................................................................. 4
1/f噪声............................................................................................ 4
修订历史
2014年4月—修订版0至修订版B
更改为“ADA4528-1与传统斩波放大器”部分 ............................. 1
2011年5月—修订版0至修订版B
增加“ADA4528-1与传统斩波放大器”部分.................................. 1
更改图11 ............................................................................................. 7
2011年4月—修订版0: 初始版
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AN-1114
ADA4528-1斩波器架构
ADA4528-1内置创新专利技术,可抑制斩波放大器内的失
在ACFB环路内的Gm4然后检测CHOP2输出端的调制纹
调相关纹波。与在交流域对纹波进行滤波的其它斩波技术
波。纹波由CHOP3解调至直流域,经过陷波滤波器后馈入
不同,这种技术在直流域消除放大器的初始失调。
Gm1的调零输入端(NULL+和NULL−)。Gm1继续消除初始
ADA4528-1利用一个称为自动校正反馈(ACFB)的本地反馈
失调和1/f噪声,否则,它会作为调制纹波出现在总输出
环路来消除失调,从而防止总输出中出现纹波。
中。这样连续ACFB环路就抑制了调制波纹。
C2
IN+
CHOP1
CHOP2
Gm1
Gm2
此外,CHOP3在CHOP2的输出端调制所需基带信号至斩
波频率。陷波滤波器和时钟频率同步,滤除斩波频率下的
Gm3
信号,因而也滤除了调制分量。因此,ACFB环路有选择
OUT
IN–
NULL–
NF
性地抑制不需要的失调电压和1/f噪声,同时又不会干扰所
C3
NULL+
需的输入基带信号。
C1
CHOP3
Gm4
高频前馈路径的作用是放大接近或高于斩波频率的任何高
频输入信号,它还能旁路ACFB环路造成的相移。由此,
ADA4528-1具有标准−20 dB/10倍增益滚降和4 MHz单位增益
ACFB
09798-001
Gm5
带宽(见图2)。此高带宽允许高增益配置ADA4528-1,以足
够环路增益降低增益误差。
图1. 放大器功能框图
135
120
图1所示为ADA4528-1放大器的功能框图。它由一条带自动
(CHOP2)、第二和第三跨导放大器(Gm2和Gm3)。ACFB环
路包含第四跨导放大器(Gm4)、斩波开关网络(CHOP3)和
开关电容陷波滤波器(NF)。最后高频前馈路径由第五跨导
90
60
45
GAIN
30
放大器(Gm5)所组成。所有斩波开关网络的斩波频率fCHOP
0
设计为在200 kHz下工作。
输入基带信号最初由CHOP1调制。接下来,CHOP2解调
–30
1k
输入信号并将Gm1的初始失调和1/f噪声调制到斩波频率。
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0
VSY = 5V
RL = 10kΩ
CL = 100pF
GBP = 4MHz
Φ M = 57 Degrees
10k
–45
100k
1M
FREQUENCY (Hz)
图2. 开环增益和相位与频率的关系
–90
10M
09798-002
(CHOP1)、第一跨导放大器(Gm1)、输出斩波开关网络
OPEN-LOOP GAIN (dB)
径并联而成。高直流增益路径包括输入斩波开关网络
90
PHASE (Degrees)
PHASE
校正反馈(ACFB)功能的高直流增益路径和一条高频前馈路
AN-1114
噪声特性
100
VOLTAGE NOISE DENSITY (nV/√Hz)
1/f噪声(亦称为粉红噪声或闪烁噪声)是半导体器件的固有
特性,随频率降低而提高。因此,它是直流或低频时的主
要噪声。放大器的1/f转折频率是指闪烁噪声与宽带噪声相
等时的频率。图3所示为未采用零漂移技术的放大器示
例;1/f转折频率为800 Hz。对于直流或低频应用,1/f噪声
是主要的噪声源,如果被电路噪声增益放大,它会产生显
著的输出电压失调。
但零漂移放大器不会出现1/f噪声。它们对电压噪声进行整
VSY = 5V
AV = 100
VCM = VSY/2
NO 1/f NOISE
10
形以消除1/f噪声。由于1/f噪声表现为缓慢变化的失调量,
1
1
10
因此能被斩波技术有效消除。当噪声频率接近DC时,校
正变得更加有效,噪声随着频率降低而指数式提高的倾向
在0.1 Hz至10 Hz范围电压噪声仅为97 nV p-p,低频噪声低于
易受1/f噪声影响的普通低噪声放大器。
1k
10k
图4.ADA4528-1零漂移放大器:电压噪声密度
与频率的关系
得以消除。图4所示为不具有1/f电压噪声的ADA4528-1的
电压噪声密度。斩波技术导致ADA4528-1在电源电压2.5 V时
100
FREQUENCY (Hz)
09798-004
1/F噪声
宽带噪声和外部源电阻考虑因素
ADA4528-1在1 kHz(VSY = 2.5 V,AV = 100)时电压噪声密度为
5.6 nV/√Hz,是目前业内噪声最低的零失调放大器。因此,
必须考虑外部输入源电阻以保持系统的总体低噪声性能。
VSY = 5V
VCM = VSY/2
在任何放大器设计中必须考虑的总等效输入噪声主要是三
种噪声的函数:输入电压噪声、输入电流噪声及外部电阻
的热(约翰逊)噪声。输入电压噪声和输入电流噪声通常在
100
数据手册的电气规格部分说明。外部源电阻的热噪声可采
用下列公式计算:
BROADBAND
NOISE
1/f NOISE
VRS = √4 kTRS
10
其中:
k为玻尔兹曼常数(1.38 × 10−23 J/K)。
1
10
100
1k
FREQUENCY (Hz)
图3. 非零漂移放大器:电压噪声密度与频率的关系
10k
09798-003
VOLTAGE NOISE DENSITY (nV/√Hz)
1000
T为绝对温度(K)。
RS为总输入源电阻(Ω)。
三个不相关噪声源可采用下列公式以和方根(rss)方式加总:
en total = √[en2 + 4 kTRS + (in × RS)2]
其中:
en为放大器的输入电压噪声(V/√Hz)。
in为放大器的输入电流噪声(A/√Hz)。
特定带宽上的等效总均方根噪声表示为:
en,RMS = en total √BW
其中BW为带宽(单位Hz)。
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此分析适用于平带噪声计算。如果相关带宽包括斩波频
等效输出噪声计算
率,则必须进行更复杂的计算以包括在斩波频率下的噪声
图7所示为同相配置的ADA4528-1。外部电阻、放大器电压
频谱效应(见图8)。
噪声和电流等效输出噪声(RTO)计算公式如下:
电压噪声密度有时取决于放大器增益配置。图5所示为重
噪声增益 = 1 + RF/RS
要竞争对手的零漂移放大器的电压噪声密度和闭环增益关
VRS = √4 kTRS
系。放大器的电压噪声密度随着闭环增益从1000减少至1
VRF = √4 kTRF
而从11 nV/√Hz增加至21 nV/√Hz。图6所示为三种不同增
RS热噪声所引起的误差 = VRS × RF/RS
益配置AV = 1、10和100时ADA4528-1的电压噪声密度和频
RF热噪声所引起的误差 = VRF
率关系。不论增益配置如何,ADA4528-1均提供6 nV/√Hz
放大器电压噪声所引起的误差 = en × (1 + RF/RS)
至7 nV/√Hz的恒定电压噪声密度。
放大器电流噪声所引起的误差 = in × RF
具体计算值参见表1。
VSY = 5V
f = 100Hz
COMPETITOR A
20
RF
10kΩ
RS
100Ω
VIN
12
VOUT
ADA4528-1
09798-008
16
图7. 同相增益配置
8
4
0
1
10
100
1000
CLOSED-LOOP GAIN (V/V)
09798-006
VOLTAGE NOISE DENSITY (nV/√Hz)
24
图5. 竞争产品A:电压噪声密度和闭环增益关系
VSY = 5V
VCM = VSY/2
10
AV = 1
AV = 10
AV = 100
1
1
10
100
1k
FREQUENCY (Hz)
10k
09798-007
VOLTAGE NOISE DENSITY (nV/√Hz)
100
图6. ADA4528-1:电压噪声密度与频率关系
表1. 输出噪声计算值(VSY = 5 V)
噪声源
RS
RF
电压噪声
电流噪声
1
数值(f = 1 kHz)
100 Ω
10 kΩ
5.9 nV/√Hz
0.5 pA/√Hz
热噪声(nV/√Hz)
1.283
12.83
N/A 1
N/A1
总噪声RTO(nV/√Hz)
128.3
12.83
595.9
5
N/A表示不适用。
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输出噪声贡献(%)
4.43
0.04
95.52
0.01
AN-1114
CF
220nF
尽管斩波放大器消除了初始失调电压,但电压纹波仍会继
续存在。这些电压纹波主要有两个来源。
RF
2kΩ
RS
200Ω
首先,电压纹波是初始失调Gm1相关联残余纹波的组成部
VOUT
分(见图1)。此纹波在斩波频率(200 kHz)及其谐波下产生更
高噪声频谱。图8所示为在三种不同增益配置下ADA4528-1
图9. 使用反馈电容降低噪声
100
VOLTAGE NOISE DENSITY (nV/√Hz)
声频谱在200 kHz时为50 nV/√Hz。当运算放大器闭环带宽大
于斩波频率时此噪声频谱更明显。但是,在更高增益时,
噪声频谱因放大器的自然增益滚降特性而变得明显更小。
因此,凭借超低噪声、失调电压和漂移能力,ADA4528-1
非常适用于直流高增益配置。
为了抑制输出端噪声,在放大器周围放置一个反馈电容。
图9及10所示为该配置和对应的电压噪声密度与频率关系
图。反馈电容减少了放大器带宽以尽量降低噪声。
10
WITHOUT CF
1
WITH CF
0.1
10
VSY = 5V
VCM = VSY/2
100
1k
10k
100k
FREQUENCY (Hz)
1M
图10. 带反馈电容的电压噪声密度
电压纹波的第二来源是斩波频率(fCHOP)和输入信号频率(fIN)
10
的交调结果。交调失真(IMD)是输入信号频率的函数,随
着输入信号频率接近斩波频率而引入更大的误差。此交调
在fCHOP ± fIN下的二阶IMD产物、2fIN ± fCHOP和2fCHOP ± fIN的三
1
0.1
阶IMD产物等处产生噪声频率。ADA4528-1产生远低于其
他零漂移放大器的交调失真。在180 kHz下的500 mV p-p电
AV = 1
AV = 10
AV = 100
1
10
压输入信号会在20 kHz产生14.6 μV rms的失真。
100
1k
10k
100k
FREQUENCY (Hz)
图8. 在不同闭环增益下电压噪声密度和频率关系
1M
09798-009
VOLTAGE NOISE DENSITY (nV/√Hz)
VSY = ±2.5V
09798-013
电压噪声密度和频率的关系。在单位增益配置下放大器噪
100
09798-010
电压纹波
此外,注意所有零漂移放大器容易受初始失调和交调失真
的残余纹波影响。
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AN-1114
ADA4528-1作为仪表放大器的应用
ADA4528-1具有超低失调电压和漂移、高开环增益、高共
降低输出端的热噪声贡献,同时获得更精确的测量。表2
模抑制和高电源抑制的特性,在分立、单电源仪表放大器
所示为折合到输出的外部电阻噪声贡献(RTO)。
应用中成为运放的理想之选。
表2. 热噪声贡献示例
图11所示为使用ADA4528-1的经典3运放仪表放大器。仪表
电阻
RG1
RG2
R1
R2
R3
R4
R5
R6
放大器高CMRR的关键是电阻是否完全匹配电阻比和相对
漂移。对于真正差动放大,电阻比匹配非常重要,其中
R5/R2 = R6/R4。电阻对于确定性能随工艺容差、时间和温
度的变化非常重要。假定理想的单位增益差动放大器具有
无限的共模抑制,1%的容差电阻匹配仅导致34 dB的共模抑
制。因此,建议使用至少0.01%或更好的电阻。
VIN1
A1
RG2
VIN2
R1
R2
R3
R4
A3
A2
电阻热噪声
(nV/√Hz)
2.57
2.57
12.83
12.83
12.83
12.83
18.14
18.14
热噪声
RTO(nV/√Hz)
128.30
128.30
25.66
25.66
25.66
25.66
18.14
18.14
注意,A1和A2具有1 + R1/RG1的高增益。在此情况下,放大
R5
器的输入失调电压和输入电压噪声非常重要。和RG1和RG2
一样,放大器的输入失调电压和输入电压噪声被整体噪声
VOUT
增益所放大。因此,在A1和A2中使用高精度、低失调电压
和低噪声放大器,例如ADA4528-1。另一方面,A3工作时
R6
的增益要低很多,并具有一系列不同的运算放大器要求。
RG1 = RG2, R1 = R3, R2 = R4, R5 = R6
VOUT = (VIN2 – VIN1) (1 + R1/RG1) (R5/R2)
09798-012
RG1
值
(Ω)
400
400
10 k
10 k
10 k
10 k
20 k
20 k
其折合到整体仪表放大器输入端的输入噪声除以第一级增
益后可以忽略不计。
图11. 分立3运放仪表放大器
为了构建一个具有外部电阻而不会牺牲噪声性的分立仪表
在直流和低频应用中A3使用AD8538或AD8628等零漂移放
放大器,请密切关注所选电阻值。RG1和RG2各自热噪声被
大器,可满足其最低电压漂移的要求。如果电压漂移不重
仪表放大器的总噪声增益所放大,因此应尽量选择低值来
要,请使用AD8603。
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AN-1114
结论
关于低噪声运算放大器选型表,请参考AN-940应用笔记
综上所述,ADA4528-1主要特性如下
“最佳噪声性能:低噪声放大器选择指南”。
• 超低失调电压和漂移
• 无1/f电压噪声
有关噪声的更多信息,请浏览分为三部分的网络研讨会系
• 超低电压噪声密度
列“传感器信号调理电路中的噪声优化”。
• 高共模抑制
• 第1部分:www.analog.com/webcast_noiseopt_part1
• 高电源抑制
• 第2部分:www.analog.com/webcast_noiseopt_part2
• 轨到轨输入和输出
• 第3部分:www.analog.com/webcast_noiseopt_part3
设计架构专门面向在直流或低频带宽中要求精确稳定性能
的高增益精密信号调理应用。
关于其他零漂移放大器的选型,请参见表3。
表3. 单零漂移放大器
产品型号
ADA4528-1
AD8628
AD8638
AD8538
ADA4051-1
VSY (V)
2.2至5.5
2.7至5
5至16
2.7至5.5
1.8至5.5
VOS最大
值(μV)
2.5
5
9
13
15
TCVOS最大
值(μV/C)
0.015
0.02
0.06
0.1
0.1
GBP
(MHz)
4
2
1.35
0.43
0.115
每个放大器Isy
最大值(mA)
1.7
1
1.3
0.18
0.018
1 kHz时的
eN(nV/√Hz)
5.6
22
60
50
95
©2011–2014 Analog Devices, Inc. All rights reserved. Trademarks and
registered trademarks are the property of their respective owners.
AN09798sc-0-4/14(B)
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CMRR最小
值(dB)
135
110
118
110
105
PSRR最小
值(dB)
130
115
127
105
110
IB最大
值(pA)
400
100
40
25
50
轨到
轨输入
是
是
否
是
是
轨到
轨输出
是
是
是
是
是
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