AN-1114 应用笔记 One Technology Way • P.O. Box 9106 • Norwood, MA 02062-9106, U.S.A. • Tel: 781.329.4700 • Fax: 781.461.3113 • www.analog.com 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。 Rev. B | Page 1 of 8 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 Rev. B | Page 2 of 8 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。 Rev. B | Page 3 of 8 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)。 Rev. B | Page 4 of 8 AN-1114 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。 Rev. B | Page 5 of 8 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。 Rev. B | Page 6 of 8 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。 Rev. B | Page 7 of 8 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) Rev. B | Page 8 of 8 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