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(gòu)。
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)。考慮到高增益的需求,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(gòu)
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(gòu)*與傳統(tǒng)的三運放架構(gòu) (圖1)相比具有一些重要優(yōu)勢。關于間接電流反饋架構(gòu)的詳細內(nèi)容,請參考Maxim 網(wǎng)站。
圖1. 傳統(tǒng)的三運放儀表放大器結(jié)構(gòu),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(gòu)。
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(gòu)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。本文給出的測試結(jié)果采用的是固定增益為100 的MAX4209H,器件的信號帶寬為7.5kHz, fC 約為45kHz。由放置在放大器OUT 和FB 引腳間的外置電容(C)和內(nèi)部電阻(R2)并聯(lián)構(gòu) 成一階低通濾波器,濾波器的極點由C 和R2 決定,MAX4209H 內(nèi)部的R2 是99kΩ,圖4 為噪聲測量電路。
圖4. MAX4209 噪聲測量電路
圖5 和圖6 為輸入?yún)⒖荚肼暻€,包括三種不同測量:沒有外部電容C、C = 1nF 和C = 10nF 的情況。沒有電容C 時,-3dB 帶寬僅受限于MAX4209H (信號帶寬為7.5kHz)。
圖5. 無反饋電容、電容等于1nF 和10nF 時,MAX4209H 輸入?yún)⒖荚肼暶芏惹€
圖6. 無反饋電容、電容等于1nF 和10nF 時,MAX4209H 輸入?yún)⒖荚肼暤腞MS 值
設計人員需要根據(jù)具體應用在所要求的噪聲抑制和信號帶寬限制之間進行折衷。下表歸納了沒有外接電容、C = 1nF 和C = 10nF 條件下的折衷選擇。
有些應用中,如果對噪聲抑制有更高要求,可以采用比反饋電容更多的外部濾波元件, 在放大器輸出端連接一個簡單的RC 低通濾波器可以提供更高的噪聲衰減。圖7 和圖8 給出了用RL = 39Ω、CL = 760nF 作為輸出低通濾波器時的輸入?yún)⒖荚肼暻€。對應這 些元件值,RC 濾波器的極點在5kHz 附近,在45kHz 自動歸零頻率fC 處提供大約18dB 的衰減。
圖7. 外接RC 輸出濾波器和不同反饋電容情況下,MAX4209H 的輸入?yún)⒖荚肼暶芏惹€
圖8. 外接RC 輸出濾波器和不同反饋電容情況下,MAX4209H 輸入?yún)⒖荚肼暤腞MS 值
結(jié)論
對于高共模電壓下放大微弱輸入信號的應用,儀表放大器必須保持極低的失調(diào)電壓、漂 移和極高的增益精度以及高CMRR。自動歸零的間接電流反饋放大器能夠滿足這些性能需 求,但會增大輸出噪聲。本文通過一個非常簡單的方法(即增加一個外置電容或最多3 個外置元件),可有效降低間接電流反饋放大器MAX4209 的噪聲。