AD855x系列在微弱信號檢測中的應用

　　對于眾多需要檢測的微弱量，如弱光、弱磁、微溫度、微電流、微振動、小位移等，通常都是通過各種傳感器做非電量的轉(zhuǎn)換，使檢測對象轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏浚娏骰螂妷海?。由于所測對象本身為微弱量，受各種不同傳感器靈敏度的限制，所得到的電量還是小信號，一般不能直接用于采樣處理。在信號檢測的電路設計中，一般信號都需要經(jīng)過一級或 多級的前置放大。此時的信號中所包含的噪聲包括2個方面：一是來自電路檢測系統(tǒng)的外部，例如市電干擾、溫度漲落、以及宇宙射線等，克服這類噪聲的辦法是采用嚴密的電磁屏蔽；二是由于前置放大所帶來的噪聲，這類噪聲不能通過屏蔽的辦法克服，只能通過選用性能優(yōu)越的前置放大器以及低噪聲設計電路來使噪聲影響最小，其中性能優(yōu)越的放大器是其中的關鍵。AD855x系列是由AD公司生產(chǎn)的低噪聲、零漂移、單電源的放大器。其優(yōu)越的性能使其成為很多信號檢測電路中前放的首選。

　　1一般放大器存在的問題

　　圖1為一般的放大電路，圖中ES為信號源，E1/f為半導體的低頻噪聲，VOS A為放大器的固有偏置，VOUT為輸出信號，A為放大倍數(shù)?？梢杂嬎爿敵鲂盘枮椋?/p>

　　由式（1）可見，在放大信號的同時，放大器的低頻率噪聲和固有偏置也同時得到放大，這就大大減小了信噪比，特別在所要檢測信號為極小的微弱信號時，經(jīng)前置放大后的信號根本無法使用。

　　傳統(tǒng)的解決辦法如圖2所示，在電路中加入開關A，B。開關一般由單片機等邏輯電路控制，當A關，B開時，輸出為式（1），當A開，B關時，輸出為：

　　則經(jīng)過調(diào)偏后的放大信號：

　　式中，T為開關轉(zhuǎn)換的周期。這種辦法可以很有效地抑制低頻及偏置噪聲，但是由于需要外部的邏輯控制電路，這就增加了電路中的元器件以及在控制上的困難，而且要得到很好的抑制就需要很高的控制頻率，這都使得這種方法在很多時候并不可行。AD855x系列放大器解決了這些問題，使其成為低頻微弱信號檢測前置放大器的首選。

　　2 AD855x系列的性能特點

　　AD855x系列包括的AD8551，AD8552，AD8554分別為1，2，4通道的放大器。AD855x系列是CMO S結(jié)構(gòu)的高精密度railtorail放大器。只需5 V或2.7 V單電源供電。小于1 μV的電壓偏置使其可以設定為很大的增益而不會帶來大的輸出電壓誤差。極小的電壓溫度偏移（5nV/℃）使其工作在-40~+125 ℃只會有一個很小的電壓偏置。

　　(1) AD855x系列的結(jié)構(gòu)

　　AD855x系列放大器內(nèi)部都是由2個放大器組成，一個主放大器和一個從放大器，主放大器對信號進行放大，從放大器用來調(diào)整主放大器的偏置電壓，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　(2) AD855x系列的放大原理

　　在圖3中，VIN+，VIN-為差分輸入信號，VOSA，V OSB分別為A，B放大器的固有偏置，AA，AB分別為A，B放大器的增益系數(shù)，BA，BB分別為A，B放大器的偏置增益系數(shù)，M，N開關的狀態(tài)決定放大器2個工作階段:偏置調(diào)整階段和放大階段。

　　M關，N開，放大器處于調(diào)整偏置階段，由圖3可得：

　　M開，N關，放大器處于放大輸出階段，由圖3得：

　　由于TS遠小于VOSA,VOSB的變化時間，可認為在TS時間內(nèi)V OSA,VOSB不變，可得：

　　AD855x系列采用最優(yōu)化設計，即AA=AB，BA=BB>>1因此上式可化簡為：

　　由式(11)可見，AD855x系列放大器對信號的放大倍數(shù)為AAAB，而對放大器固有偏置（VOSA+VOSB）的放大倍數(shù)僅為AA。由此可見，使用A D855x系列放大器只會帶來極小的放大器固有偏置。

　　(3) AD855x系列的低頻噪聲特性

　　低頻噪聲由于其功率譜密度遵從1/f變化，所以又稱1/f噪聲。這種噪聲十分普遍，不僅存在于電子管，半導體管，二極管和電阻中，也存在于熱敏電阻，碳拾音器和光源中。在半導體器件中，1/f噪聲主要是由半導體材料表面性質(zhì)所引起的。表面能態(tài)中載流子的激勵和復合，以及表面狀態(tài)密度等是影響1/f噪聲的主要因素。一般的放大器在低頻工作時會帶來很大的低頻噪聲影響，AD855x系列放大器的另一大優(yōu)點就是對低頻噪聲的抑制。由于AD855x系列放大器有自動偏置調(diào)整的功能，半導體管帶來的低頻噪聲會像對待固有偏置一樣加以抑制。這使得AD855x系列放大器可以用于低頻甚至直流信號而不會帶來大的低頻噪聲。

　　3 AD8554使用

　　加速度計、壓力傳感器是經(jīng)常用到的傳感系統(tǒng)，大部分的應力傳感系統(tǒng)的信號為低頻、微弱小信號，但是幾乎都對標度的線形度要求很高。這就使得前置放大器的偏置和漂移帶來的影響顯得極為重要。

　　圖4為一橋式應力傳感系統(tǒng)的前放電路，多數(shù)情況下電橋輸出為幾十毫伏的信號，因此放大器小的固有偏置都會給信號檢測帶來很大的影響，AD8554的自動偏置調(diào)零的特點正好滿足了這一要求。另外，AD8554為4通道放大器使得整個前放系統(tǒng)器件少，電路簡單。

　　橋式應力傳感系統(tǒng)使用AD8554的另一優(yōu)點即小的輸入電流允許在設計過程中使用電阻大的電橋以提高檢測的精度，小的輸入電流使電橋不會因為發(fā)熱帶來因溫度變化造成的測量誤差。而且消耗功率小，很適合應用于低功耗，便攜系統(tǒng)中。

　　4結(jié)語

　　在微弱信號檢測中模擬前放的好壞是整個檢測系統(tǒng)的關鍵， AD公司生產(chǎn)AD855x系列放大器以其低噪聲，零漂移，單電源，輸入電阻大的優(yōu)越性能為低頻微弱信號檢測提供了很好的選擇。通過對其工作原理的分析和具體一例更加說明了其優(yōu)越的性能。