仪表放大器的失调电压与噪声参数分析与仿真

    通过上一篇《仪表放大器的特性与工作电压配置方法》，介绍了仪表放大器内部两级放大电路工作方式，这种结构导致仪表放大器的失调电压、噪声参数与通用放大器的失调电压、噪声参数的评估方式不同，本篇将对此进行分析与仿真。

    1 仪表放大器失调电压分析

    由于仪表放大器内部的两级放大器都存在失调电压，如图3.1中AMP1，AMP2所在的第一级放大器的失调电压，如果折算到输出端，需要乘以电路增益。AMP3所在的第二级放大器的失调电压，如果折算到输入端，需要除以电路增益。

图3.1 仪表放大器结构

    上述的第一级放大器的失调电压称为输入失调电压（Input Offset Voltage, VOSI），第二级放大器的失调电压称为输出失调电压（Output Offset Voltage, VOSO）。总输出失调电压Total Vos_RTO为式3-8。

    其中，G为增益。这也是仪表放大器在切换增益后，线性误差发生变化的原因。

    如图3.10，以AD8421ARZ为例，在25℃环境中，使用±15V供电，输入失调电压最大值为60μV，输出失调电压最大值为350μV。在增益为1倍的电路中，AD8421ARZ输出总失调电压最大值为410uV。在增益为100倍的电路中，总输出失调电压最大值6.35mV。

3.10 AD8421失调电压参数

    如图3.11（a），使用LTspice设计AD8421在增益为1倍，供电电源为±15V。如图3.11（b），输出总失调电压的瞬态分析结果为412.292μV，等同于理论计算值。

图3.11 AD8421增益1倍电路的总输出失调电压瞬态分析结果

    如图3.12（a），使用LTspice设计AD8421为±15V供电，增益为100倍的电路。输出总失调电压瞬态分析结果，如图3.12（b）,为6.353mV，等同于理论计算值。

3.12 AD8421增益为100倍电路的总输出失调电压瞬态分析结果

    2仪表放大器噪声分析

    仪表放大器的电压噪声有两个来源。一是输入端串联的噪声源ENI，如通用放大器一样。通过电路增益折算到输出端。二是仪表放大器输出端串联的噪声电压源ENO,除以电路增益折算到输入端。如图3.13，在25℃环境中，±15V电源供电时，1KHz处AD8421输入电压噪声密度eni最大值为3.2 nV/√Hz,输出电压噪声密度eno最大值为60nV/√Hz。

3.13 AD8421噪声参数

    仪表放大器输入端的电流噪声源也有两个，分别是iN+和iN–。尽管两个电流噪声近似相等。如图3.13，25℃环境中，±15V电源供电时，在1KHz处AD8421电流噪声谱密度in最大值为0.2 pA/√Hz。但iN+和iN–不相关，必须以均方根的方式求和。iN+流过信号源电阻RS的一半，iN–流过信号源电阻RS另一半。产生的两个噪声电压幅度各为INRS的一半。这两个噪声源通过电路增益折算到输出端。

    仪表放大器的增益电阻也会产生一个噪声源，通过电路增益折算的输出。

    由此仪表放大器总输出噪声的RMS值，为式3-9。    

    其中，BW为1.57倍的信号带宽。

    如图3.14（a），使用AD8421配置为1倍增益（Rg取消）的电路，信号源内阻设置为0，在0.1~10KHz频率内，输出噪声电压RMS最大值约为:

图3.14 AD8421增益为1倍的电路噪声分析结果

    噪声分析结果如图3.14（b），AD8421的总输出噪声RMS值为5.59μV小于7.52μV。

    如图3.15（a），电路配置为100倍增益（Rg为100Ω），信号源内阻设置为0，在0.1~10KHz频率内，输出噪声电压RMS最大值近似为：

    噪声分析结果如图3.15（b），AD8421总输出噪声为34.315μV，小于43.76μV。

图3.15 AD8421增益为100倍电路的噪声分析

    综上，在针对仪表放大器的失调电压、噪声参数分析时，根据内部两级放大器的失调电压，噪声以及电路配置的增益折算到输入端、或者输出端进行总失调电压、总噪声的评估。

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