利用自動(dòng)歸零噪聲濾波器降低儀表放大器的輸出噪聲

引言

儀表放大器通常用于在高共模電壓場(chǎng)合放大一個(gè)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(dòng)歸零放大器來(lái)達到上述應用的要求。 自動(dòng)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(lèi)放大器有一個(gè)缺點(diǎn)：在自動(dòng)歸零頻率及其倍頻上存在明顯的噪聲。自動(dòng)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/數轉換器(ADC)，這些噪聲會(huì )直接影響系統的性能。 本應用筆記介紹了一種簡(jiǎn)單的濾波技術(shù)，用來(lái)降低自動(dòng)歸零噪聲，能夠以最少的外圍元件配合自動(dòng)歸零儀表放大器實(shí)現一個(gè)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(gè)毫伏，并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(guò)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(gè)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 帶寬內提 供高增益。整個(gè)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?？紤]到高增益的需求，必須盡可能降低輸入失調電壓(VOS)，以確 保足夠的輸出動(dòng)態(tài)范圍。

抑制鄰近設備及電力線(xiàn)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(gè)影響設計的關(guān)鍵因素。最 后，帶有關(guān)斷功能的低功耗器件也是許多便攜式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(zhuān)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(yōu)勢。關(guān)于間接電流反饋架構的詳細內容，請參考Maxim 網(wǎng)站。



圖1. 傳統的三運放儀表放大器結構，虛線(xiàn)內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(gè)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(jìn)行抑制。C 為高增益放大器，通過(guò)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(gè)差分輸入端相等。因此，放大器輸出和差分輸入VIN 的關(guān)系如下：

VOUT = VIN × (1 + R2/R1)

其中：

VIN = VIN+ - VIN-