儀表放大器的失調(diào)電壓與噪聲參數(shù)分析與仿真

通過上一篇《儀表放大器的特性與工作電壓配置方法》，介紹了儀表放大器內(nèi)部兩級放大電路工作方式，這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致儀表放大器的失調(diào)電壓、噪聲參數(shù)與通用放大器的失調(diào)電壓、噪聲參數(shù)的評估方式不同，本篇將對此進行分析與仿真。

1、儀表放大器失調(diào)電壓分析

由于儀表放大器內(nèi)部的兩級放大器都存在失調(diào)電壓，如圖3.1中AMP1，AMP2所在的第一級放大器的失調(diào)電壓，如果折算到輸出端，需要乘以電路增益。AMP3所在的第二級放大器的失調(diào)電壓，如果折算到輸入端，需要除以電路增益。

圖3.1 儀表放大器結(jié)構(gòu)

上述的第一級放大器的失調(diào)電壓稱為輸入失調(diào)電壓（Input Offset Voltage, VOSI），第二級放大器的失調(diào)電壓稱為輸出失調(diào)電壓（Output Offset Voltage, VOSO）?？傒敵鍪д{(diào)電壓Total Vos_RTO為式3-8。

其中，G為增益。這也是儀表放大器在切換增益后，線性誤差發(fā)生變化的原因。

如圖3.10，以AD8421ARZ為例，在25℃環(huán)境中，使用±15V供電，輸入失調(diào)電壓最大值為60μV，輸出失調(diào)電壓最大值為350μV。在增益為1倍的電路中，AD8421ARZ輸出總失調(diào)電壓最大值為410uV。在增益為100倍的電路中，總輸出失調(diào)電壓最大值6.35mV。

3.10 AD8421失調(diào)電壓參數(shù)

如圖3.11（a），使用LTspice設(shè)計AD8421在增益為1倍，供電電源為±15V。如圖3.11（b），輸出總失調(diào)電壓的瞬態(tài)分析結(jié)果為412.292μV，等同于理論計算值。

圖3.11 AD8421增益1倍電路的總輸出失調(diào)電壓瞬態(tài)分析結(jié)果

如圖3.12（a），使用LTspice設(shè)計AD8421為±15V供電，增益為100倍的電路。輸出總失調(diào)電壓瞬態(tài)分析結(jié)果，如圖3.12（b）,為6.353mV，等同于理論計算值。

3.12 AD8421增益為100倍電路的總輸出失調(diào)電壓瞬態(tài)分析結(jié)果

2、儀表放大器噪聲分析

儀表放大器的電壓噪聲有兩個來源。一是輸入端串聯(lián)的噪聲源ENI，如通用放大器一樣。通過電路增益折算到輸出端。二是儀表放大器輸出端串聯(lián)的噪聲電壓源ENO,除以電路增益折算到輸入端。如圖3.13，在25℃環(huán)境中，±15V電源供電時，1KHz處AD8421輸入電壓噪聲密度eni最大值為3.2 nV/√Hz,輸出電壓噪聲密度eno最大值為60nV/√Hz。

3.13 AD8421噪聲參數(shù)

儀表放大器輸入端的電流噪聲源也有兩個，分別是iN+和iN–。盡管兩個電流噪聲近似相等。如圖3.13，25℃環(huán)境中，±15V電源供電時，在1KHz處AD8421電流噪聲譜密度in最大值為0.2 pA/√Hz。但iN+和iN–不相關(guān)，必須以均方根的方式求和。iN+流過信號源電阻RS的一半，iN–流過信號源電阻RS另一半。產(chǎn)生的兩個噪聲電壓幅度各為INRS的一半。這兩個噪聲源通過電路增益折算到輸出端。

儀表放大器的增益電阻也會產(chǎn)生一個噪聲源，通過電路增益折算的輸出。

由此儀表放大器總輸出噪聲的RMS值，為式3-9。 

其中，BW為1.57倍的信號帶寬。

如圖3.14（a），使用AD8421配置為1倍增益（Rg取消）的電路，信號源內(nèi)阻設(shè)置為0，在0.1~10KHz頻率內(nèi)，輸出噪聲電壓RMS最大值約為:

圖3.14 AD8421增益為1倍的電路噪聲分析結(jié)果

噪聲分析結(jié)果如圖3.14（b），AD8421的總輸出噪聲RMS值為5.59μV小于7.52μV。

如圖3.15（a），電路配置為100倍增益（Rg為100Ω），信號源內(nèi)阻設(shè)置為0，在0.1~10KHz頻率內(nèi)，輸出噪聲電壓RMS最大值近似為：

噪聲分析結(jié)果如圖3.15（b），AD8421總輸出噪聲為34.315μV，小于43.76μV。

圖3.15 AD8421增益為100倍電路的噪聲分析

綜上，在針對儀表放大器的失調(diào)電壓、噪聲參數(shù)分析時，根據(jù)內(nèi)部兩級放大器的失調(diào)電壓，噪聲以及電路配置的增益折算到輸入端、或者輸出端進行總失調(diào)電壓、總噪聲的評估。