作者：Moshe Gerstenhaber, Rayal Johnson, and Scott Hunt

構建具有納伏靈敏度的電壓測量系統面臨著許多設計挑戰。目前最好的運算放大器，如超低噪聲AD797，在1 kHz時可實現低于1 nV/√Hz的噪聲，但低頻噪聲的性質將0.1 Hz至10 Hz頻段內可實現的噪聲限制在約50 nV p-p。過采樣和平均可以降低平坦帶噪聲的均方根貢獻，但代價是更高的數據速率和額外的功率，但過采樣不會降低噪聲頻譜密度，并且對1/f區域的噪聲沒有影響。此外，需要較大的前端增益以避免后續級的噪聲貢獻，從而降低系統帶寬。如果不進行隔離，輸出端也會出現任何接地反彈或干擾，這可能會壓倒放大器及其輸入信號的低固有噪聲。性能良好的低噪聲儀表放大器（儀表放大器）簡化了此類系統的設計和構造，并減少了共模電壓、電源波動和溫度漂移引起的殘余誤差。

AD8428低噪聲儀表放大器提供2000的精密增益，并具有解決這些問題所需的所有特性。AD8428的最大增益漂移為5 ppm/°C，最大失調電壓漂移為0.3 μV/°C，最小CMRR為140 dB至60 Hz（最小為120 dB至50 kHz），最小PSRR為130 dB，帶寬為3.5 MHz，非常適合低電平測量系統。最重要的是，1 kHz 時的 1.3nV/√Hz 電壓噪聲和 0.1 Hz 至 10 Hz 的業界最佳 40nV 峰峰值噪聲可在非常小的信號下實現高信噪比。兩個額外的引腳使設計人員能夠改變增益或添加濾波器以降低噪聲帶寬。這些濾波器引腳還提供了一種降低噪聲的獨特方法。

使用多個AD8428儀表放大器降低系統噪聲

圖1所示為進一步降低系統噪聲的電路配置。四個AD8428的輸入和濾波器引腳短接在一起，噪聲降低2倍。輸出可以從任何一個儀表放大器獲取，以保持低輸出阻抗。該電路可以擴展，將噪聲除以所用放大器數量的平方根。

圖1.降噪電路采用四個AD8428儀表放大器。

電路如何降低噪聲

每個AD8428產生的1.3 nV/√Hz典型參考輸入（RTI）頻譜噪聲與其他放大器產生的噪聲無關。不相關的噪聲源在濾波器引腳上加為平方和根（RSS）。另一方面，輸入信號呈正相關。每個AD8428在其濾波器引腳上產生相同的電壓以響應信號，因此連接多個AD8428不會改變電壓，增益保持2000。

噪聲分析

以下對圖2中電路簡化版本的分析表明，以這種方式連接的兩個AD8428可將噪聲降低√2倍。每個AD8428的噪聲可以在其+IN引腳上建模。要確定總噪聲，請將輸入接地并使用疊加來組合噪聲源。

噪聲源eN1通過200的差分增益放大到前置放大器A1的輸出。對于這部分分析，前置放大器A2的輸出在接地輸入下是無噪聲的。從前置放大器 A1 的每個輸出到前置放大器 A2 相應輸出的 6kΩ/6 kΩ 電阻分壓器可以用其戴維寧等效值代替：前置放大器 A1 輸出端噪聲電壓的一半，使用 3kΩ 串聯電阻。這種劃分是降低噪音的機制。全節點分析表明，響應en1的輸出電壓為1000 ×eN1.通過對稱性，輸出電壓響應噪聲電壓eN2是 1000 ×eN2.的量級eN1和eN2都等于en，并將添加為 RSS，導致整體輸出噪聲為 1414 ×en.

圖2.用于噪聲分析的簡化電路模型。

為了將其反饋回輸入端，必須驗證增益。假設差分信號 V在在 +輸入和 –輸入之間應用。A1第一級輸出端的差分電壓將為V在× 200。前置放大器A2的輸出端出現相同的電壓，因此沒有通過6 kΩ/6 kΩ分壓器的信號分頻，節點分析顯示輸出為V在×2000年。因此，總電壓噪聲RTI為en× 1414/2000，或同等en/√2.使用AD8428的典型噪聲密度為1.3 nV/√Hz，兩個放大器配置產生的噪聲密度約為0.92 nV/√Hz。

使用額外的放大器時，濾波器引腳上的阻抗會發生變化，從而進一步降低噪聲。例如，如圖1所示使用四個AD8428，從前置放大器輸出到濾波器引腳的6 kΩ電阻后跟三個6 kΩ電阻，每個無噪聲前置放大器輸出。這有效地產生了一個6 kΩ/2 kΩ電阻分壓器，將噪聲除以4。然后，所有四個放大器的總噪聲變為en/2，正如預測的那樣。

在噪聲與功耗之間進行權衡

主要的權衡是功耗與噪聲。AD8428具有非常高的噪聲功耗比，輸入噪聲密度為1.3 nV/√Hz，最大電源電流為6.8 mA。為了進行比較，請考慮低噪聲運算放大器AD797，它需要10.5 mA的最大電源電流才能實現0.9 nV/√Hz。由兩個運算放大器AD797和一個低功耗差動放大器構成的分立G = 2000低噪聲儀表放大器可以使用超過21 mA的電流來實現1.45 nV/√Hz噪聲RTI，由兩個運算放大器和一個30.15 Ω電阻提供。

除了并聯使用多個放大器的電源考慮因素外，設計人員還必須考慮熱環境。采用±5 V電源的單個AD8428由于內部功耗而具有約8°C的溫升。如果許多設備靠近放置或放置在封閉空間中，它們可以相互加熱，應考慮熱管理技術。

使用SPICE進行模擬

雖然它不應用作原型設計的替代品，但使用SPICE進行電路仿真可能是驗證此類電路理念的有用第一步。為了驗證該電路，使用ADIsimPE仿真器和AD8428 SPICE宏模型來仿真兩個器件并聯時的電路性能。圖3所示的結果顯示了預期的行為：增益為2000，噪聲降低30%。

圖3.SPICE仿真結果。

測量結果

使用四個AD8428的整個電路是在工作臺上測量的。測得的RTI噪聲在1 kHz時的頻譜密度為0.7 nV/√Hz，在0.1 Hz至10 Hz范圍內具有25 nV p-p。這比許多納伏表的噪聲要低。測得的噪聲頻譜和峰峰值噪聲分別如圖4和圖5所示。

圖4.測量電路的電壓噪聲頻譜如圖1所示。

圖5.測得的電路的0.1 Hz至10 Hz RTI噪聲如圖1所示。

結論

納伏靈敏度是一個困難的目標，帶來了許多設計挑戰。對于需要低噪聲和高增益的系統，AD8428儀表放大器具有實現高性能設計所需的特性。此外，其獨特的配置使其能夠將這種不尋常的電路添加到納伏工具箱中。

審核編輯：郭婷