傳感器電路的低噪聲信號調(diào)理

隨著模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器分辨率的提高以及電源電壓的降低，最低有效位（LSB）變得更小，這使得信號調(diào)理任務(wù)變得更加困難。由于信號大小更接近于本底噪聲，因此，必須對外部和內(nèi)部噪聲源（包括Johnson、散粒、寬帶、閃爍和EMI）進(jìn)行處理。
不相關(guān)的噪聲源采用平方根和(RSS)的形式進(jìn)行疊加 ：
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另一方面，其它相關(guān)噪聲源，如輸入偏置電流消除等，必須采用帶有相關(guān)因子的RSS形式進(jìn)行疊加。
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圖1 所示的是典型信號調(diào)理電路中的噪聲源，以及可用于反相、同相、差分及其它通用配置的通用公式。
2正確的設(shè)計方法
從傳感器及其特征噪聲、阻抗、響應(yīng)和信號幅度入手，實現(xiàn)最低的折合到輸入端(RTI)噪聲將能夠優(yōu)化信噪比(SNR)。
與先解決增益和功耗需求、然后再努力應(yīng)對噪聲問題的方法相比，圍繞著低噪聲來解決問題將更加有效。這是一個重復(fù)的過程，首先考慮放大器的工作區(qū)：寬帶或1/f。接著，挑選合適的有源器件，設(shè)計最佳的噪聲特性。在放大器周圍放置無源器件，并限制帶寬。然后分析非噪聲需求，如輸入阻抗、電源電流和開環(huán)增益。如果沒有達(dá)到噪聲指標(biāo)，則重復(fù)這一過程，直到獲得可以接受的解決方案為止。
3運算放大器的選擇
在一些情況下，寬帶噪聲為22nV/的運算放大器可能優(yōu)于寬帶噪聲為10nV/的器件。如果傳感器工作在極低的頻率下，那么，具有低1/f噪聲的放大器可能是最好的。
ADI公司的OP177等標(biāo)準(zhǔn)放大器的噪聲頻譜密度類似于圖2(a)的曲線。而自穩(wěn)零放大器能連續(xù)校準(zhǔn)輸入端隨時間和溫度的變化而出現(xiàn)的任意誤差。由于1/f噪聲漸進(jìn)的逼近直流，放大器也能校準(zhǔn)這一誤差。圖2(b)所示，第一代自穩(wěn)零放大器不表現(xiàn)出1/f噪聲，因而適用于低頻傳感器信號調(diào)理。圖2(c)所示，第二代自穩(wěn)零放大器具有較低的寬帶噪聲（22nV/），通過PSpice宏模型能精確的仿真放大器電壓噪聲，顯示出1/f噪聲已被消除。
4軌到軌輸入
對于低壓設(shè)計來說，軌到軌（RR）輸出和輸入可能是適合的。當(dāng)共模輸入從一條軌轉(zhuǎn)到另一條軌時，一個差分輸入對停止工作，另一個差分輸入對則接著工作。失調(diào)電壓和輸入偏置電流可能突然變化，引起如圖3所示的失真。對于低噪聲設(shè)計來說，請檢查對軌到軌輸入特性的需求。
為了解決這個問題，ADI公司的AD8506 等運算放大器使用內(nèi)部電荷泵來消除輸入電壓交越失真。如果設(shè)計不正確，而使電荷泵產(chǎn)生的噪聲落入有用頻帶時，這些噪聲將會出現(xiàn)在輸出端，引起問題。
5偏置電流消除
最新的雙極性運算放大器使用一種技術(shù)來消除輸入偏置電流造成的部分影響，這個技術(shù)會增加不相關(guān)或相關(guān)的電流噪聲。對于一些放大器來說，相關(guān)噪聲可能大于不相關(guān)噪聲。例如，為ADI公司的OP07增加阻抗平衡電阻，就能改進(jìn)整體噪聲。表1 比較了ADI公司兩款廣泛應(yīng)用的運算放大器，一款是用較高電壓噪聲換取較低電流噪聲的OP07，另一款是OP27。
從可獲得的低噪聲器件中選擇三到四個器件?？紤]工藝技術(shù)，尋找自穩(wěn)零、斬波和偏置電流消除等專業(yè)設(shè)計技術(shù)。從晶圓照片查看輸入晶體管區(qū)域，大輸入晶體管的噪聲較低，但具有大的輸入電容，而CMOS和JFET放大器的電流噪聲遠(yuǎn)小于雙極性器件。低噪聲設(shè)計要使用小電阻，所以放大器輸出驅(qū)動必須足夠大，以驅(qū)動大負(fù)載。
6無源元件的選擇
選擇放大器之后，在放大器周圍放置合適的電阻和電容，而這些元件也有噪聲。圖4 所示的是使用錯誤的電阻值所造成的影響。輸出噪聲隨著用于設(shè)置增益的電阻的增大而增大。
圖4 中三種情形的增益都是1000。
了解傳感器的特性是非常重要的。忽略R1和R2的噪聲，集中考慮源阻抗R的噪聲，圖5顯示出當(dāng)R值較小時，電壓噪聲占主導(dǎo)地位；當(dāng)R值為中等大小時，John噪聲占主導(dǎo)；當(dāng)R值較大時，電流噪聲的貢獻(xiàn)較大。因此，低輸出阻抗的傳感器應(yīng)該使用小電阻和具有低電壓噪聲的運算放大器。
除電阻之外，電容也能用于補償和減小噪聲。電抗元件不增加任何噪聲，但流經(jīng)它們的噪聲電流將產(chǎn)生噪聲電壓，影響計算。總之，重要的是在放大器周圍使用低阻抗來降低電流噪聲、熱噪聲和EMI雜散干擾拾取的影響。
7帶寬選擇
選擇好放大器以及相關(guān)的電阻和電容之后，下一步是設(shè)計最佳帶寬（BW）。不要設(shè)計過寬的帶寬，帶寬應(yīng)該足夠通過基頻和重要的諧波，但不要過寬。選擇具有足夠帶寬的放大器，在其后放置RC濾波器，放大器本身也是單極點濾波器。放大器和電阻在帶寬范圍內(nèi)都有噪聲，因此，帶寬越大，輸出噪聲越大，SNR越低。
圖6所示的是在與前面具有相同配置的電路中使用具有不同帶寬的放大器時，放大器帶寬與噪聲之間的關(guān)系。為限制附加的噪聲，帶寬應(yīng)該盡可能的窄。
為限制帶寬，在傳感器之后使用 RC 濾波器，產(chǎn)生的負(fù)載問題可使用緩沖器來解決，如圖 7 所示。
具有所示規(guī)格和配置的放大器（放大器帶寬為350MHz）和 ADC 將具有 166 μVrms 的噪聲。在運算放大器之后增加 RC 濾波器后，將產(chǎn)生 50MHz 的有效帶寬，能把噪聲降低到 56 μVrms。
如圖 7 所示，使用正確的 RC 減小帶寬能極大的提高SNR，但是電阻本身會增加噪聲。降低帶寬的另一個更好的辦法是使用如圖 8c 所示的電路，它把電阻放入運算放大器的反饋環(huán)路中，將其影響降低（1+環(huán)路增益）倍，不要忘了在電源引腳使用足夠的去耦電容來降低信號路徑的電源噪聲。
在進(jìn)行完這些步驟之后，再檢查其它的系統(tǒng)需求，比如：
所選的器件是否滿足其它目標(biāo)規(guī)格？
放大器是否需要采用雙電源供電？
是否有正電源？
放大器的功耗是否太大？
器件是否太過昂貴？
如果有需求不能滿足，請返回第1步，重復(fù)這個設(shè)計過程。
8結(jié)論
每個傳感器都有其噪聲、阻抗和響應(yīng)特性，因此，將這些特性匹配到模擬前端是非常重要的。正確定義的低噪聲設(shè)計步驟能用于解決當(dāng)今應(yīng)用中的許多挑戰(zhàn)，以獲得最佳 SNR。
這個重復(fù)的過程將產(chǎn)生最適合目前挑戰(zhàn)性應(yīng)用的信號調(diào)理方案。
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作者簡介
Reza Moghimi現(xiàn)任ADI公司精密模擬產(chǎn)品部應(yīng)用工程經(jīng)理。他擁有圣何塞州立大學(xué)（SJSU）BSEE和MBA學(xué)位。加入ADI公司之前，Reza曾在Raytheon Corp、Siliconix Inc.以及Precision Monolithic Inc（PMI）工作過。