利用自動歸零噪聲濾波器降低儀表放大器的輸出噪聲

2020-12-05 電子產品世界

引言

儀表放大器通常用於在高共模電壓場合放大一個小的差分信號，有些應用要求高精度放 大器具有超低失調和漂移、低增益誤差和高共模抑制比(CMRR)。

本文建議設計人員考慮 使用自動歸零放大器來達到上述應用的要求。 自動歸零放大器具有低電壓失調、漂移，提供較高的增益和共模抑制比。但這類放大器有一個缺點：在自動歸零頻率及其倍頻上存在明顯的噪聲。自動歸零頻率位於典型儀表 放大器的有效帶寬以外。有些應用中，儀表放大器的輸出直接連接到模/數轉換器(ADC)，這些噪聲會直接影響系統的性能。 本應用筆記介紹了一種簡單的濾波技術，用來降低自動歸零噪聲，能夠以最少的外圍元件配合自動歸零儀表放大器實現一個新穎的間接電流反饋架構。

儀表放大器的典型應用

儀表放大器在醫療系統中最流行的一種應用是心電監護儀(ECG)，這種監護儀利用與人體皮膚相接觸的傳感器監測心率。ECG 傳感器成對使用，檢測非常弱的差分信號，通常只有幾百微伏到幾個毫伏，並伴隨有較大的失調電壓。例如，病人的左、右臂之間的失 調電壓可能達到200mV。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， 放大電路還採用了高通濾波器，以消除不同傳感器所產生的不同直流成分。

由於儀表放大器通常放置在整個放大鏈路的第一級，要求具備高輸入阻抗和高CMRR。另外，由於輸入差分信號處於亞毫伏級，放大器需要在標準的0.05Hz 至150Hz 帶寬內提 供高增益。整個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 至100 範圍內。考慮到高增益的需求，必須儘可能降低輸入失調電壓(VOS)，以確 保足夠的輸出動態範圍。

抑制鄰近設備及電力線的50Hz/60Hz 噪聲是ECG 設計的基本要求，因此，儀表放大器在 50Hz/60Hz 頻率處具有高CMRR 和電源抑制比(PSRR)成為一個影響設計的關鍵因素。最 後，帶有關斷功能的低功耗器件也是許多可攜式ECG 系統設計的基本需求。

間接電流反饋架構

作為一種新型儀表放大器，Maxim 擁有專利的間接電流反饋架構*與傳統的三運放架構 (圖1)相比具有一些重要優勢。關於間接電流反饋架構的詳細內容，請參考Maxim 網站。



圖1. 傳統的三運放儀表放大器結構，虛線內的電阻是器件的外部電阻。

圖2 是MAX4209 採用的新型間接電流反饋架構。



圖2. MAX4209 間接電流反饋儀表放大器

圖2 中的A 和B 分別是兩個跨導放大器，從它們的差分輸入電壓產生輸出電流，並對共模輸入信號進行抑制。C 為高增益放大器，通過R1 和R2 提供負反饋。負反饋環路強制放大器A 和B 的兩個差分輸入端相等。因此，放大器輸出和差分輸入VIN 的關係如下：

VOUT = VIN × (1 + R2/R1)

其中：

VIN = VIN+ - VIN-

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