Высокое усиление без проблем: малошумящий инструментальный усилитель с чувствительностью в единицы нановольт

Журнал РАДИОЛОЦМАН, декабрь 2015

Moshe Gerstenhaber, Rayal Johnson и Scott Hunt, Analog Devices

Analog Dialogue

Введение

Создание измерительной системы с чувствительностью в единицы нановольт является очень сложной инженерной задачей. Лучшие из доступных операционных усилителей (ОУ), такие как ультра малошумящий AD797, на частоте 1 кГц позволяют получить напряжение шумов менее 1 нВ/√Гц, однако в полосе частот от 0.1 Гц до 10 Гц природа низкочастотных шумов ограничивает наилучшие достижимые значения уровнем 50 нВ пик-пик. Передискретизация и усреднение выборок могут уменьшить среднеквадратичный вклад от шумов с равномерным спектром за счет более высокой скорости передачи данных и дополнительного потребления мощности, но передискретизация не уменьшит спектральную плотность шума и не окажет никакого влияния на фликкер-шум (1/f). Кроме того, большой коэффициент усиления входной цепи предварительной обработки сигнала, необходимый для исключения шумового вклада последующих каскадов, уменьшает полосу пропускания системы. При отсутствии изоляции любые помехи на шине земли проявятся на выходе, где они могут подавить как слабые внутренние шумы усилителя, так и его входной сигнал. Хороший малошумящий инструментальный усилитель упрощает разработку и конструирование таких систем и уменьшает остаточные ошибки, обусловленные синфазным напряжением, флуктуациями питания и температурным дрейфом.

Малошумящий инструментальный усилитель AD8428 обеспечивает прецизионное усиление с коэффициентом 2000 и имеет все, что необходимо для решения перечисленных проблем. При температурном дрейфе усиления не более 5 ppm/°C, максимальном дрейфе напряжении смещения 0.3 мкВ/°C, минимальном коэффициенте подавления синфазного напряжения 140 дБ на частоте 60 Гц (не более 120 дБ на частоте 50 кГц), коэффициенте подавления пульсаций питания 130 дБ и полосе пропускания 3.5 МГц AD8428 идеально подходит для измерительных систем нижнего уровня. Но самое важное, что равное всего 1.3 нВ/√Гц значение спектральной плотности напряжения собственных шумов усилителя на частоте 1 кГц и лучшие в отрасли шумы 40 нВ пик-пик в полосе частот от 0.1 … 10 Гц, позволяют получить большое отношение сигнал/шум для очень слабых сигналов. Два дополнительных вывода (+FIL, –FIL) дают разработчикам возможность, изменив коэффициент усиления или добавив фильтр, сузить шумовую полосу частот. Кроме того, эти выводы фильтров являются уникальным средством улучшения отношения сигнал/шум.

Использование инструментального усилителя AD8428 для снижения шумов

На Рисунке 1 приведена схемная конфигурация, позволяющая еще больше снизить уровень шумов. Параллельное соединение входов усилителей и выводов фильтров четырех микросхем AD8428 уменьшает шумы в два раза.

Рисунок 1.	Схема на четырех инструментальных усилителях AD8428, снижающая уровень шумов.

Выходной импеданс схемы будет низким независимо от того, с какого инструментального усилителя взят сигнал. Эту схему можно расширить, чтобы уменьшить шум в корень квадратный раз из числа усилителей.

Как схема снижает шумы

Типичное значение 1.3 нВ/√Гц приведенного к входу напряжения шумов, генерируемого каждым усилителем AD8428, не коррелированно с шумами, производимыми остальными усилителями. Шумы некоррелированных источников складываются на выводах фильтров как корень из суммы квадратов. В то же время входной сигнал имеет положительную корреляцию. Напряжения, возникающие на выводах фильтров каждой микросхемы вследствие прохождения входного сигнала, одинаковы, поэтому параллельное соединение нескольких AD8428 не меняет напряжения в этих точках, и коэффициент усиления остается равным 2000.

Анализ шумов

Следующий анализ упрощенной схемы на Рисунке 2 показывает, что соединенные таким образом два усилителя AD8428 уменьшают шум в √2 раз. Шум каждого усилителя может быть смоделирован напряжением на его входе +IN. Для определения общего шума следует заземлить входы и использовать метод суперпозиции для объединения источников шумов.

Рисунок 2.	Упрощенная модель схемы для анализа шумов.

Шум источника e_n1 приходит на выход предусилителя микросхемы A1 дифференциально усиленным в 200 раз. Для этой части анализа выходы предусилителя микросхемы A2 считаем не содержащими шумов, а его входы заземленными. Резистивный делитель 6 кОм/6 кОм между каждым выходом предусилителя микросхемы A1 и соответствующим выходом предусилителя микросхемы A2 может быть заменен его эквивалентом Тевенина: половиной шумового напряжения предусилителя A1 с последовательным сопротивлением 3 кОм. Это деление и является тем механизмом, который уменьшает шумы. Полный анализ методом узловых потенциалов показывает, что шум e_n1 усиливается на выходе до уровня 1000 × e_n1. Исходя из симметрии схемы, естественно заключить, что вклад от e_n2 будет равен 1000 × e_n2. Одинаковые и равные en уровни e_n1 и e_n2 добавляются как корень из суммы квадратов, в результате чего общий выходной шум равен 1414 × e_n.

Для того чтобы привести его обратно к входу, необходимо определить величину коэффициента усиления. Предположим, что между выводами +ВХОД и –ВХОД приложен дифференциальный сигнал V_IN. Дифференциальное напряжение на выходе первого каскада A1 будет равно V_IN × 200. Такие же напряжения возникают и на выходах предварительного усилителя микросхемы A2, поэтому делитель 6 кОм/6 кОм никак не влияет на сигнал, и анализ методом узловых потенциалов показывает, что выходное напряжение равно V_IN × 2000. Таким образом, общее напряжение приведенного к входу шума равно e_n × 1414/2000, или, что тоже, e_n/√2. Подставив сюда типовое для AD8428 значение плотности шума 1.3 нВ/√Гц, получим, что конфигурация из двух усилителей дает плотность шума порядка 0.92 нВ/√Гц.

При добавлении усилителей меняется импеданс вывода фильтра, что также уменьшает уровень шума. Например, при использовании четырех AD8428 в конфигурации, показанной на Рисунке 1, между выведенным на контакт фильтра резистором 6 кОм и каждым из нешумящих выходов предусилителей оказываются подключенными три резистора по 6 кОм. Это фактически образует резистивный делитель 6 кОм/2 кОм, ослабляющий напряжение шума в четыре раза. Тогда общий шум четырех усилителей, как и предсказывалось, становится равным e_n/2.

Компромисс между шумами и мощностью

С точки зрения критерия шум/мощность AD8428 отличается очень высокой эффективностью. При плотности входного шума 1.3 нВ/√Гц его ток потребления не превышает 6.8 мА. Для сравнения: малошумящему операционному усилителю AD797 для достижения уровня 0.9 нВ/√Гц потребуется максимальный ток 10.5 мА. Построенному на двух ОУ AD797 и одном маломощном дифференциальном усилителе дискретному инструментальному усилителю с коэффициентом усиления 2000 для получения приведенного к входу напряжения шумов 1.45 нВ/√Гц может потребоваться более 21 мА, которые будут потребляться в основном двумя ОУ и резистором 30.15 Ом.Помимо суммарного тока, потребляемого группой параллельно включенных усилителей, разработчик должен также учитывать их тепловые режимы. Мощность, рассеиваемая внутри одного корпуса AD8428 при питании напряжениями ±5 В, повышает его температуру примерно на 8 °C. Если несколько устройств расположены на плате компактной группой или находятся в замкнутом пространстве корпуса, они могут нагревать друг друга, что потребует при расчете схемы принимать во внимание и тепловые аспекты.

SPICE моделирование

SPICE моделирование, хотя и не должно заменять макетирование, может быть полезным в качестве первого шага для проверки идеи как таковой. Для проверки и имитации работы схемы, состоящей из двух включенных параллельно устройств, использовался симулятор ADIsimPE со SPICE макромоделью AD8428. Показанные на Рисунке 3 результаты демонстрируют ожидаемое поведение схемы: коэффициент усиления 2000 и сниженный на 30% шум.

Рисунок 3.	Результаты SPICE моделирования.

Результаты измерений

Рисунок 4.	Измеренная спектральная плотность напряжения шумов схемы, показанной на Рисунке 1.

Полная схема с четырьмя микросхемами AD8428 была проверена в лабораторных условиях. Измеренный приведенный к входу шум имел спектральную плотность 0.7 нВ/√Гц на частоте 1 кГц и уровень 25 нВ пик-пик в диапазоне от 0.1 Гц до 10 Гц. Это меньше шумов многих нановольтметров. Результаты измерений спектральной плотности и пикового напряжения шума представлены на Рисунках 4 и 5, соответственно.

Рисунок 5.	Измеренное пиковое напряжение шумов схемы, показанной на Рисунке 1.

Заключение

Создание устройств с чувствительностью нановольтового уровня является очень сложной задачей, создающей множество проблем при проектировании. Инструментальный усилитель AD8428 обладает всеми характеристиками, необходимыми для реализации высококачественных систем, требующих низких шумов и большого усиления. Более того, его уникальная структура позволяет разработчикам добавить эту необычную схему в свой арсенал нановольтовых технических решений.

Ссылки

1. MT-047 Tutorial. Op Amp Noise.
2. MT-048 Tutorial. Op Amp Noise Relationships: 1/f Noise, RMS Noise, and Equivalent Noise Bandwidth.
3. MT-049 Tutorial. Op Amp Total Output Noise Calculations for Single-Pole System.
4. MT-050 Tutorial. Op Amp Total Output Noise Calculations for Second-Order System.
5. MT-065 Tutorial. In-Amp Noise.

Материалы по теме

1. Datasheet Analog Devices AD797
2. Datasheet Analog Devices AD8428