banner.jpg)
摘要：本文介紹了一個簡單的降低自動歸零、間接電流反饋儀表放大器輸出噪聲的技術，以MAX4209儀表放大器為例提供了一個參考設計。
引言
儀表放大器通常用于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(diào)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(diào)、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。自動歸零頻率位于 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(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，這些噪聲會直接影響系統(tǒng)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(xiàn)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(yī)療系統(tǒng)中最流行的一種應用是心電監(jiān)護儀(ECG)，這種監(jiān)護儀利用與人 體皮膚相接觸的傳感器監(jiān)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，并伴隨有較大的失調(diào)電壓。例如，病人的左、右臂之間的失 調(diào)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， 放大電路還采用了高通濾波器，以消除不同傳感器所產(chǎn)生的不同直流成分。
由于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，由于輸入差分信號處于亞毫伏級，放大器需要在標準的0.05Hz 至150Hz 帶寬內(nèi)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 范圍內(nèi)�？紤]到高增益的需求，必須 盡可能降低輸入失調(diào)電壓(VOS)，以 確保足夠的輸出動態(tài)范圍。
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 后，帶有關斷功能的低功耗器件也是許多便攜式ECG 系統(tǒng)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(tǒng)的三運放架構 (圖1)相比具有一些重要優(yōu)勢。
圖1. 傳統(tǒng)的三運放儀表放大器結構，虛線內(nèi)的電阻是器件的外部電阻。
圖2 是MAX4209 采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(chǎn)生輸出電流，并對共 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(huán)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 的關系如下：
VOUT = VIN × (1 + R2/R1)
其中：
VIN = VIN+ - VIN-
與傳統(tǒng)方案相比，這種間接電流反饋架構有兩個重要優(yōu)點：
輸入共模電源在第一級即被抑制掉，使得儀表放大器可以采用單電源供電并可在整個增 益范圍內(nèi)處理零電位或負電位檢測。
放大器增益通過兩個內(nèi)部匹配電阻設置，大大提高了增益精度。
自動歸零放大器的基本原理
為了連續(xù)校準放大器的失調(diào)電壓，自動歸零放大器用一個“零”放大器并聯(lián)在信號路徑 上，內(nèi)部振蕩器工作在自動歸零頻率(fC)，典型值為幾十kHz。工作過程分為兩個階段， 如圖3 所 示。自動歸零階段：兩個開關都置于1，電容(C1)充電到歸零放大器(A2)的失 調(diào)電壓。主放大器(A1)的失調(diào)電壓(由C2 保持)通過NULL 引腳校 準。放大階段：兩個 開關都置于位置2；C1 保持歸零放大器的失調(diào)電壓(已經(jīng)通過NULL 引腳校準)；A1 的失 調(diào)電壓由A2 測量并保存在C2 上。
圖3. 自動歸零放大器的基本工作原理圖
自動歸零放大器組成了一個數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)，由此會產(chǎn)生采樣或自動歸零頻率fC 與信號 頻率(fS)的和與差。為避免混疊失真，信號帶寬限制在fC 的一半以下。
自動歸零技術能夠使放大器大大降低輸入失調(diào)電壓VOS，降至幾個微伏，失調(diào)電壓漂移 達到每攝氏度幾十分之一微伏。如果fC 比噪聲截止頻率高很多，1/f 噪聲仍然可以被抑制掉。理論上，自動歸零放大器不存在1/f 噪聲，但是，斬波操作在較寬頻帶內(nèi)增大了 輸出白噪聲。
降低自動歸零頻率附近的噪聲
MAX4209 是一個間接電流反饋儀表放大器，由于內(nèi)置自動歸零電路，具有非常高的直流 精度。在有些應用中，MAX4209 的輸出直接連接到ADC，濾除其輸出噪聲可有效改善系 統(tǒng)性能。輸出噪聲是由寬帶白噪聲和自動歸零頻率fC 以及其倍頻處的毛刺組成。特別 是在ADC 的采樣頻率與自動歸零頻率fC 之差落在有效頻帶時，引入這個濾波器更為重 要。
