2024年11月1日发(作者:陀萱彤)
(Part 2)
传感器电路的低噪声信号调理
作者:Reza Moghimi
i@
ADI公司
随着模数转换器和数模转换器分辨率的提高以及电源电压的降低,最低有效位(LSB)变
得更小,这使得信号调理任务变得更加困难。由于信号大小更接近于本底噪声,因此,必
须对外部和内部噪声源(包括Johnson、散粒、宽带、闪烁和EMI)进行处理。
不相关的噪声源采用和的平方根(RSS)的形式进行叠加:
另一方面,其它相关噪声源,如输入偏置电流消除等,必须采用带有相关因子的RSS形
式进行叠加。
图1所示的是典型信号调理电路中的噪声源,以及可用于反相、同相、差分及其它通用配
置的通用公式。
Noise
_
Gain=
1
+
R
2
R
1
BW=
1.57
f
closed
_
loop
_
BW
Noise
_@_
V
out
=Noise
RTI
*
Noise
_
Gain
Noise
RTI
=BWVn
2
+
4
KTR
3
+
4
KTR
1
[
R
2
R
1
222
R
*
R
2
2
]
2
+In
+
R
3
+In
−
[
1
]
+
4
KTR
2
[]
2
R
2
+R
1
R
1
+R
2
R
1
+R
2
图
1
:噪声源包含运算放大器的输入电压噪声和输入电流噪声,以及外部电阻的
Johnson
噪声。
正确的设计方法
从传感器及其特征噪声、阻抗、响应和信号幅度入手,实现最低的折合到输入端(RTI)
噪声将能够优化信噪比(SNR)。
与先解决增益和功耗需求、然后再努力应对噪声问题的方法相比,围绕着低噪声来解决问
题将更加有效。这是一个重复的过程,首先考虑放大器的工作区:宽带或1/f。接着,挑
选合适的有源器件,设计最佳的噪声特性。在放大器周围放置无源器件,并限制带宽。然
后分析非噪声需求,如输入阻抗、电源电流和开环增益。如果没有达到噪声指标,则重复
这一过程,直到获得可以接受的解决方案为止。
运算放大器的选择
在一些情况下,宽带噪声为22 nV/rt-Hz的运算放大器可能优于宽带噪声为10 nV/rt-Hz的
器件。如果传感器工作在极低的频率下,那么,具有低1/f噪声的放大器可能是最好的。
ADI公司的OP177等标准放大器的噪声频谱密度类似于图2左侧的曲线。而自稳零放大器
能连续校准输入端随时间和温度的变化而出现的任意误差。由于1/f噪声渐进的逼近直
流,放大器也能校准这一误差。图2中间的图示出,第一代自稳零放大器不表现出1/f噪
声,因而适用于低频传感器信号调理。图2右侧的图示出,第二代自稳零放大器具有较低
的宽带噪声(22 nV/rt-Hz),通过PSpice宏模型能精确的仿真放大器电压噪声,显示出
1/f噪声已被消除。
300nV
200nV
100nV
0V
10mHz
V(INOISE)
100mHz1.0Hz10Hz
Frequency
100Hz1.0KHz10KHz100KHz
AD8638 PSpice
图
2
:
ADI
公司的
OP177
和
AD707
等标准放大器在低频表现出
1/f
噪声(
a
)。
ADI
公司的
AD8551/52/54
等自稳零(斩波)放大器没有
1/f
噪声(
b
)。
PSpice
能对
AD8638
自动调零
放大器的行为进行精确建模(
c
)。
图中:NOISE: BIPOLAR VS. CHOPPER AMPLIFER-噪声:双极性与斩波放大器的比较;
INPUT VOLTAGE NOISE-输入电压噪声;BIPOLAR-双极性;CORNER-拐点;
FREQUENCY-频率;Chopper-斩波;NOISE BW:噪声带宽
轨到轨输入
对于低压设计来说,轨到轨(RR)输出和输入可能是适合的。当共模输入从一条轨转到
另一条轨时,一个差分输入对停止工作,另一个差分输入对则接着工作。失调电压和输入
偏置电流可能突然变化,引起如图3所示的失真。对于低噪声设计来说,请检查对轨到轨
输入特性的需求。
图
3
:当共模输入电压改变时,轨到轨放大器的输入失调电压会急剧变化。
图中:COMMON-MODE VOLTAGE-共模电压;OFFSET VOLTAGE-失调电压
为了解决这个问题,ADI公司的AD8506等运算放大器使用内部电荷泵来消除输入电压交
越失真。如果设计不正确,而使电荷泵产生的噪声落入有用频带时,这些噪声将会出现在
输出端,引起问题。请在输出引脚使用频谱分析仪来确保时钟幅度远低于信号幅度。
偏置电流消除
最新的双极性运算放大器使用一种技术来消除输入偏置电流造成的部分影响,这个技术会
增加不相关或相关的电流噪声。对于一些放大器来说,相关噪声可能大于不相关噪声。例
如,为ADI公司的OP07增加阻抗平衡电阻,就能改进整体噪声。表1比较了ADI公司两
款广泛应用的运算放大器,一款是用较高电压噪声换取较低电流噪声的OP07,另一款是
OP27。
OP07E OP27E
参数 条件 单位
0.5 7.0 nA
输入失调电流
±1.2 ±10 nA
输入偏置电流
μV p-p
输入噪声电压 0.1 Hz 至 10 Hz
0.35 0.08
f = 1 kHz 9.6 3.0 nV/√Hz
输入噪声电压密度
f = 1 kHz 0.12 0.4 pA/√Hz
输入噪声电流密度
表
1
从可获得的低噪声器件中选择三到四个器件。考虑工艺技术,寻找自稳零、斩波和偏置电
流消除等专业设计技术。从晶圆照片查看输入晶体管区域,请记住,大输入晶体管的噪声
较低,但具有大输入电容,而CMOS和JFET放大器的电流噪声远小于双极性器件。低噪
声设计要使用小电阻,所以放大器输出驱动必须足够大,以驱动大负载。
无源元件的选择
选择放大器之后,在放大器周围放置合适的电阻和电容,而这些元件也有噪声。图4所示
的是使用错误的电阻值所造成的影响。输出噪声随着用于设置增益的电阻的增大而增大。
图4中三种情形的增益都是1000。
G=1000 using different Resistors , BW=10MHz
1600.00
1400.00
1200.00
1000.00
800.00
600.00
400.00
200.00
0.00
Amplifier Noise(nV/rtHz)
O
u
t
p
u
t
N
o
i
s
e
(
u
v
r
m
s
)
R1=1,R2=1000R1=100,R2= 100000R1=1000,R2= 1000000
图
4
:使用低电阻保持低输出噪声。
图中:Amplifer Noise-放大器噪声;Output Noise-输出噪声;G=1000 using different
Resistors-G=1000,使用不同电阻。
了解传感器的特性是非常重要的。忽略R1和R2的噪声,集中考虑源阻抗R的噪声,图6
显示出当R值较小时,电压噪声占主导地位;当R值为中等大小时,John噪声占主导;
当R值较大时,电流噪声的贡献较大。因此,低输出阻抗的传感器应该使用小电阻和具有
低电压噪声的运算放大器。
示例: OP27
电压噪声 = 3nV / √Hz
电流噪声= 1pA / √Hz
T = 25°C
噪声来源
0
放大器电压噪声
3
R的值
3kΩ
3
300kΩ
3
+
OP27
–
流入电阻R的放大器
电流噪声
电阻R的
03300
R
JOHNSON噪声
0770
RTI 噪声 (nV / √ Hz)
R2
R1
忽略 R1和R2的噪声
表中突出显示的是主要噪声源
图
5
:小电阻时,电压噪声占主导地位;中等电阻时,
John
噪声占主导;大电阻时,电流
噪声的贡献较多。
除电阻之外,电容也能用于补偿和减小噪声。电抗元件不增加任何噪声,但流经它们的噪
声电流将产生噪声电压,影响计算。总之,重要的是在放大器周围使用低阻抗来降低电流
噪声、热噪声和EMI杂散干扰拾取的影响。
带宽选择
选择好放大器以及相关的电阻和电容之后,下一步是设计最佳带宽(BW)。请注意,不
要设计过宽的带宽,带宽应该足够通过基频和重要的谐波,但不要过宽。选择具有足够带
宽的放大器,在其后放置RC滤波器,放大器本身也是单极点滤波器。放大器和电阻在带
宽范围内都有噪声,因此,带宽越大,输出噪声越大,SNR越低。
图6所示的是在与前面具有相同配置的电路中使用具有不同带宽的放大器时,放大器带宽
与噪声之间的关系。为限制附加的噪声,带宽应该尽可能的窄。
Output Noise for different UGBW
Amplifiers,R1=100,R2=100K,G=1000
10000
R
M
S
N
o
i
s
e
(
u
V
)
100
1
Ampliifer Noise(nv/rtHz)
BW=5MHZBW=10MHZBW=50MHZBW=500MHZ
图
6
:输出电压噪声随着放大器带宽的增加而增大
图中:Output Noise for different UGBW Amplifiers-不同UGBW放大器的输出噪声
为限制带宽,请在传感器之后使用RC滤波器,产生的负载问题可使用缓冲器来解决,如
图7所示。
具有所示规格和配置的放大器(放大器带宽为350MHz)和ADC将具有166 μV rms的噪
声。在运算放大器之后增加RC滤波器后,将产生50MHz的有效带宽,能把噪声降低到
56 μV rms。
V
n
R
1.0k
VRE
AD922
12-bit
VINA
-
50
0.1u
+
C
100p
f
s
=
噪声带宽= 1.57 •
1
2π
=
AD9225 ADC 规格
OP AMP 规格
2024年11月1日发(作者:陀萱彤)
(Part 2)
传感器电路的低噪声信号调理
作者:Reza Moghimi
i@
ADI公司
随着模数转换器和数模转换器分辨率的提高以及电源电压的降低,最低有效位(LSB)变
得更小,这使得信号调理任务变得更加困难。由于信号大小更接近于本底噪声,因此,必
须对外部和内部噪声源(包括Johnson、散粒、宽带、闪烁和EMI)进行处理。
不相关的噪声源采用和的平方根(RSS)的形式进行叠加:
另一方面,其它相关噪声源,如输入偏置电流消除等,必须采用带有相关因子的RSS形
式进行叠加。
图1所示的是典型信号调理电路中的噪声源,以及可用于反相、同相、差分及其它通用配
置的通用公式。
Noise
_
Gain=
1
+
R
2
R
1
BW=
1.57
f
closed
_
loop
_
BW
Noise
_@_
V
out
=Noise
RTI
*
Noise
_
Gain
Noise
RTI
=BWVn
2
+
4
KTR
3
+
4
KTR
1
[
R
2
R
1
222
R
*
R
2
2
]
2
+In
+
R
3
+In
−
[
1
]
+
4
KTR
2
[]
2
R
2
+R
1
R
1
+R
2
R
1
+R
2
图
1
:噪声源包含运算放大器的输入电压噪声和输入电流噪声,以及外部电阻的
Johnson
噪声。
正确的设计方法
从传感器及其特征噪声、阻抗、响应和信号幅度入手,实现最低的折合到输入端(RTI)
噪声将能够优化信噪比(SNR)。
与先解决增益和功耗需求、然后再努力应对噪声问题的方法相比,围绕着低噪声来解决问
题将更加有效。这是一个重复的过程,首先考虑放大器的工作区:宽带或1/f。接着,挑
选合适的有源器件,设计最佳的噪声特性。在放大器周围放置无源器件,并限制带宽。然
后分析非噪声需求,如输入阻抗、电源电流和开环增益。如果没有达到噪声指标,则重复
这一过程,直到获得可以接受的解决方案为止。
运算放大器的选择
在一些情况下,宽带噪声为22 nV/rt-Hz的运算放大器可能优于宽带噪声为10 nV/rt-Hz的
器件。如果传感器工作在极低的频率下,那么,具有低1/f噪声的放大器可能是最好的。
ADI公司的OP177等标准放大器的噪声频谱密度类似于图2左侧的曲线。而自稳零放大器
能连续校准输入端随时间和温度的变化而出现的任意误差。由于1/f噪声渐进的逼近直
流,放大器也能校准这一误差。图2中间的图示出,第一代自稳零放大器不表现出1/f噪
声,因而适用于低频传感器信号调理。图2右侧的图示出,第二代自稳零放大器具有较低
的宽带噪声(22 nV/rt-Hz),通过PSpice宏模型能精确的仿真放大器电压噪声,显示出
1/f噪声已被消除。
300nV
200nV
100nV
0V
10mHz
V(INOISE)
100mHz1.0Hz10Hz
Frequency
100Hz1.0KHz10KHz100KHz
AD8638 PSpice
图
2
:
ADI
公司的
OP177
和
AD707
等标准放大器在低频表现出
1/f
噪声(
a
)。
ADI
公司的
AD8551/52/54
等自稳零(斩波)放大器没有
1/f
噪声(
b
)。
PSpice
能对
AD8638
自动调零
放大器的行为进行精确建模(
c
)。
图中:NOISE: BIPOLAR VS. CHOPPER AMPLIFER-噪声:双极性与斩波放大器的比较;
INPUT VOLTAGE NOISE-输入电压噪声;BIPOLAR-双极性;CORNER-拐点;
FREQUENCY-频率;Chopper-斩波;NOISE BW:噪声带宽
轨到轨输入
对于低压设计来说,轨到轨(RR)输出和输入可能是适合的。当共模输入从一条轨转到
另一条轨时,一个差分输入对停止工作,另一个差分输入对则接着工作。失调电压和输入
偏置电流可能突然变化,引起如图3所示的失真。对于低噪声设计来说,请检查对轨到轨
输入特性的需求。
图
3
:当共模输入电压改变时,轨到轨放大器的输入失调电压会急剧变化。
图中:COMMON-MODE VOLTAGE-共模电压;OFFSET VOLTAGE-失调电压
为了解决这个问题,ADI公司的AD8506等运算放大器使用内部电荷泵来消除输入电压交
越失真。如果设计不正确,而使电荷泵产生的噪声落入有用频带时,这些噪声将会出现在
输出端,引起问题。请在输出引脚使用频谱分析仪来确保时钟幅度远低于信号幅度。
偏置电流消除
最新的双极性运算放大器使用一种技术来消除输入偏置电流造成的部分影响,这个技术会
增加不相关或相关的电流噪声。对于一些放大器来说,相关噪声可能大于不相关噪声。例
如,为ADI公司的OP07增加阻抗平衡电阻,就能改进整体噪声。表1比较了ADI公司两
款广泛应用的运算放大器,一款是用较高电压噪声换取较低电流噪声的OP07,另一款是
OP27。
OP07E OP27E
参数 条件 单位
0.5 7.0 nA
输入失调电流
±1.2 ±10 nA
输入偏置电流
μV p-p
输入噪声电压 0.1 Hz 至 10 Hz
0.35 0.08
f = 1 kHz 9.6 3.0 nV/√Hz
输入噪声电压密度
f = 1 kHz 0.12 0.4 pA/√Hz
输入噪声电流密度
表
1
从可获得的低噪声器件中选择三到四个器件。考虑工艺技术,寻找自稳零、斩波和偏置电
流消除等专业设计技术。从晶圆照片查看输入晶体管区域,请记住,大输入晶体管的噪声
较低,但具有大输入电容,而CMOS和JFET放大器的电流噪声远小于双极性器件。低噪
声设计要使用小电阻,所以放大器输出驱动必须足够大,以驱动大负载。
无源元件的选择
选择放大器之后,在放大器周围放置合适的电阻和电容,而这些元件也有噪声。图4所示
的是使用错误的电阻值所造成的影响。输出噪声随着用于设置增益的电阻的增大而增大。
图4中三种情形的增益都是1000。
G=1000 using different Resistors , BW=10MHz
1600.00
1400.00
1200.00
1000.00
800.00
600.00
400.00
200.00
0.00
Amplifier Noise(nV/rtHz)
O
u
t
p
u
t
N
o
i
s
e
(
u
v
r
m
s
)
R1=1,R2=1000R1=100,R2= 100000R1=1000,R2= 1000000
图
4
:使用低电阻保持低输出噪声。
图中:Amplifer Noise-放大器噪声;Output Noise-输出噪声;G=1000 using different
Resistors-G=1000,使用不同电阻。
了解传感器的特性是非常重要的。忽略R1和R2的噪声,集中考虑源阻抗R的噪声,图6
显示出当R值较小时,电压噪声占主导地位;当R值为中等大小时,John噪声占主导;
当R值较大时,电流噪声的贡献较大。因此,低输出阻抗的传感器应该使用小电阻和具有
低电压噪声的运算放大器。
示例: OP27
电压噪声 = 3nV / √Hz
电流噪声= 1pA / √Hz
T = 25°C
噪声来源
0
放大器电压噪声
3
R的值
3kΩ
3
300kΩ
3
+
OP27
–
流入电阻R的放大器
电流噪声
电阻R的
03300
R
JOHNSON噪声
0770
RTI 噪声 (nV / √ Hz)
R2
R1
忽略 R1和R2的噪声
表中突出显示的是主要噪声源
图
5
:小电阻时,电压噪声占主导地位;中等电阻时,
John
噪声占主导;大电阻时,电流
噪声的贡献较多。
除电阻之外,电容也能用于补偿和减小噪声。电抗元件不增加任何噪声,但流经它们的噪
声电流将产生噪声电压,影响计算。总之,重要的是在放大器周围使用低阻抗来降低电流
噪声、热噪声和EMI杂散干扰拾取的影响。
带宽选择
选择好放大器以及相关的电阻和电容之后,下一步是设计最佳带宽(BW)。请注意,不
要设计过宽的带宽,带宽应该足够通过基频和重要的谐波,但不要过宽。选择具有足够带
宽的放大器,在其后放置RC滤波器,放大器本身也是单极点滤波器。放大器和电阻在带
宽范围内都有噪声,因此,带宽越大,输出噪声越大,SNR越低。
图6所示的是在与前面具有相同配置的电路中使用具有不同带宽的放大器时,放大器带宽
与噪声之间的关系。为限制附加的噪声,带宽应该尽可能的窄。
Output Noise for different UGBW
Amplifiers,R1=100,R2=100K,G=1000
10000
R
M
S
N
o
i
s
e
(
u
V
)
100
1
Ampliifer Noise(nv/rtHz)
BW=5MHZBW=10MHZBW=50MHZBW=500MHZ
图
6
:输出电压噪声随着放大器带宽的增加而增大
图中:Output Noise for different UGBW Amplifiers-不同UGBW放大器的输出噪声
为限制带宽,请在传感器之后使用RC滤波器,产生的负载问题可使用缓冲器来解决,如
图7所示。
具有所示规格和配置的放大器(放大器带宽为350MHz)和ADC将具有166 μV rms的噪
声。在运算放大器之后增加RC滤波器后,将产生50MHz的有效带宽,能把噪声降低到
56 μV rms。
V
n
R
1.0k
VRE
AD922
12-bit
VINA
-
50
0.1u
+
C
100p
f
s
=
噪声带宽= 1.57 •
1
2π
=
AD9225 ADC 规格
OP AMP 规格