利用自動(dòng)歸零噪聲濾波器降低高精度、間接電流反饋儀表放大器的輸出噪聲

摘要: 本文介紹了一個(gè)簡單的降低自動(dòng)歸零、間接電流反饋儀表放大器輸出噪聲的技術(shù)，以MAX4209儀表放大器為例提供了一個(gè)參考設(shè)計(jì)。

引言

　　儀表放大器通常用于在高共模電壓場合放大一個(gè)小的差分信號，有些應(yīng)用要求高精度放大器具有超低失調(diào)和漂移，低增益誤差和高共模抑制比(CMRR)。本文建議設(shè)計(jì)人員考慮使用自動(dòng)歸零放大器來達(dá)到上述應(yīng)用的要求。

　　自動(dòng)歸零放大器具有低電壓失調(diào)、漂移，提供較高的增益和共模抑制比。但這些放大器有一個(gè)缺點(diǎn)：在自動(dòng)歸零頻率及其倍頻上存在明顯的噪聲。自動(dòng)歸零頻率位于儀表放大器的有效帶寬以外。有些應(yīng)用中，儀表放大器的輸出直接連接到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），這些噪聲會直接影響系統(tǒng)的性能。

　　本文介紹了一種簡單的濾波技術(shù)，用來降低自動(dòng)歸零噪聲，能夠以最少的外圍元件配合自動(dòng)歸零儀表放大器實(shí)現(xiàn)一個(gè)新穎的間接電流反饋架構(gòu)。

儀表放大器的應(yīng)用

　　儀表放大器在醫(yī)療系統(tǒng)中最流行的一種應(yīng)用是心電監(jiān)護(hù)儀(ECG)，這種監(jiān)護(hù)儀利用于人體皮膚相接觸的傳感器監(jiān)測心率。ECG傳感器成對使用，檢測非常弱的差分信號，通常只有幾百μV到幾個(gè)mV，并伴隨有較大的失調(diào)電壓。例如，病人的左、右臂之間的失調(diào)電壓可能達(dá)到200mV，這一差分交流信號通過具有高直流共模抑制比的儀表放大器放大，放大電路還采用了高通濾波器，以消除不同傳感器所產(chǎn)生的不同直流成分。

　　由于儀表放大器放置在整個(gè)放大鏈路的第一級，要求具備高輸入阻抗和高CMRR。另外，由于輸入差分信號處于亞毫伏級，放大器需要在標(biāo)準(zhǔn)的0.05Hz至150Hz內(nèi)提供高增益。整個(gè)模擬鏈路的增益通常在1000倍，因此，第一級儀表放大器的增益最好在20-100范圍內(nèi)。考慮到高增益的需求，必須盡可能降低輸入失調(diào)電壓，以確保足夠的動(dòng)態(tài)范圍。

　　抑制設(shè)備及電力線的50Hz/60Hz噪聲是ECG設(shè)計(jì)的基本要求，因此，儀表放大器在50/60Hz頻率處具有高CMRR和PSRR（電源抑制比）成為一個(gè)影響設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，當(dāng)然，帶有關(guān)斷功能的低功耗器件也是此類設(shè)計(jì)的基本需求。

間接電流反饋架構(gòu)

　　儀表放大器在高共模電壓場合下放大微弱的差分信號，這些放大器被廣泛用于測量醫(yī)學(xué)傳感器、壓力和溫度傳感器的電橋接口，檢測各種電流等。新型儀表放大器，間接電流反饋架構(gòu)與傳統(tǒng)的三運(yùn)放方案（圖1）相比有一些重要突破。圖 2 是MAX4209采用的新型間接電流反饋架構(gòu)。

圖 1  傳統(tǒng)的三運(yùn)放儀表放大器結(jié)構(gòu)，虛線內(nèi)的電阻是器件的外部電阻

圖 2  MAX4209 間接電流反饋儀表放大器

　　圖2中的A和B分別是兩個(gè)跨導(dǎo)放大器，從它們的差分輸入電壓產(chǎn)生輸出電流，并對共模輸入信號進(jìn)行抑制。C為高增益放大器，通過R1和R2提供負(fù)反饋。負(fù)反饋環(huán)路強(qiáng)制放大器A和B的兩個(gè)差分輸入端相等。因此，放大器輸出和差分輸入VIN的關(guān)系如下：

　　與傳統(tǒng)方案相比，這種間接電流反饋架構(gòu)有兩個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)：

　　1. 輸入共模電源在第一級即被抑制掉，使得儀表放大器可以采用單電源供電并可在整個(gè)增益范圍內(nèi)處理零電位或負(fù)電位檢測；

　　2. 放大器增益通過兩個(gè)內(nèi)部匹配電阻設(shè)置，大大提高了增益精度。

自動(dòng)歸零放大器的基本原理

　　為了連續(xù)校準(zhǔn)放大器的電壓失調(diào)，自動(dòng)歸零放大器用一個(gè)“零”放大器并聯(lián)在信號路徑上，內(nèi)部振蕩器工作在“自動(dòng)歸零頻率”fc，典型值為幾十kHz。工作工程分為兩個(gè)階段：自動(dòng)歸零階段和放大階段。圖 3舉例說明了基本功能。自動(dòng)歸零階段：兩個(gè)開關(guān)都置于‘1’，電容C1充電到零放大器A2的失調(diào)電壓。主放大器A1的失調(diào)電壓（由C2保持）通過NULL引腳校準(zhǔn)。放大階段：兩個(gè)開關(guān)都置于位置‘2’；C1保持“零”放大器的失調(diào)電壓（已經(jīng)通過NULL引腳校準(zhǔn)）；主放大器的失調(diào)電壓由A2測量并保存在C2上。

圖 3  自動(dòng)歸零放大器的基本工作原理圖

　　自動(dòng)歸零放大器組成了一個(gè)數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)，由此會產(chǎn)生采樣或自動(dòng)歸零頻率fc與信號頻率fs的差與和。為避免混疊失真，信號帶寬限制在自動(dòng)歸零頻率的一半以下。自動(dòng)歸零技術(shù)能夠使放大器大大降低輸入失調(diào)電壓，降至幾個(gè)μV，失調(diào)電壓漂移達(dá)到幾十分之一μV/℃。如果自動(dòng)歸零頻率比噪聲截止頻率高很多，1/f噪聲仍然可以被抑制掉。理論上，自動(dòng)歸零放大器不存在1/f噪聲，但是，斬波操作在較寬頻帶內(nèi)增大了輸出白噪聲。

降低自動(dòng)歸零頻率附近的噪聲

　　MAX4209是一個(gè)間接電流反饋儀表放大器，由于內(nèi)置自動(dòng)歸零電路，具有非常高的直流精度。在有些應(yīng)用中，MAX4209的輸出直接連接到ADC（模/數(shù)轉(zhuǎn)換器），濾除其輸出噪聲可有效改善系統(tǒng)性能。輸出噪聲是由寬帶白噪聲和自動(dòng)歸零頻率處的毛刺以及倍頻處的毛刺組成。特別是在ADC的采樣頻率與自動(dòng)歸零頻率之差落在有效頻帶時(shí)，引入這個(gè)濾波器更為重要。

　　本文給出的測試結(jié)果采用的是固定增益為100的MAX4209H，器件的信號帶寬為7.5kHz；自動(dòng)歸零頻率約為45kHz。由放置在放大器OUT和FB引腳間的外置電容C和內(nèi)部電阻R2并聯(lián)構(gòu)成一級低通濾波器。MAX4209H內(nèi)部的R2是99k，圖4為噪聲測量電路。

圖4  MAX4209噪聲測量電路

　　圖5和圖6為輸入?yún)⒖荚肼?，包?種不同測量：沒有外部電容C、C = 1nF和C = 10nF的情況。沒有電容C時(shí)，-3dB帶寬僅受限于MAX4209H(7.5kHz)。

圖5  無反饋電容、電容等于1nF和10nF時(shí)，MAX4209H的輸入?yún)⒖荚肼暶芏惹€

圖6  無反饋電容、電容等于1nF和10nF時(shí)，MAX4209H輸入?yún)⒖荚肼暤腞MS值

　　設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)具體應(yīng)用在所要求的噪聲抑制和信號帶寬限制之間進(jìn)行折衷。表1歸納了沒有外接電容、C = 1nF和C = 10nF條件下的折衷選擇。

表1  電容與帶寬和噪聲關(guān)系


　　有些應(yīng)用中，如果對噪聲抑制有更高要求，可以采用比反饋電容更多的外部濾波元件，在放大器輸出端連接一個(gè)簡單的低通濾波器可以提供更高的噪聲衰減。圖7和圖8給出了用RL = 39Ω、CL = 760nF作為輸出低通濾波器時(shí)的輸入?yún)⒖荚肼暻€。對應(yīng)用這些元件值，RC濾波器的極點(diǎn)在5kHz左右，在45kHz自動(dòng)歸零頻率處提供大約18dB的衰減。

圖 7  外接RC輸出濾波器和不同反饋電容情況下，MAX4209H的輸入?yún)⒖荚肼暻€

圖 8  外接RC輸出濾波器和不同反饋電容情況下，MAX4209H輸入?yún)⒖荚肼暤腞MS

結(jié)論

　　對于高共模電壓下放大微弱信號的應(yīng)用，例如醫(yī)療產(chǎn)品，儀表放大器必須保持極低的電壓失調(diào)、漂移和極高的增益精度以及高CMRR。自動(dòng)歸零的間接電流反饋放大器能夠滿足這些性能需求，但會增大輸出噪聲。本文通過一個(gè)非常簡單的方法（即增加一個(gè)外置電容或最多3個(gè)外置元件），可有效降低間接電流反饋放大器MAX4209的噪聲，所推薦的電路非常適合ECG應(yīng)用。