影响仪表放大器精度的三大因素

2021年10月21日

作者

Nick Sun

文章來源

Cytech Engineer

影响仪表放大器精度的三大因素

本文主要从原理和应用方面阐述了噪声、CMRR、PCB布局对仪表放大器精度的影响。帮助客户加深对仪表放大器参数的理解，提高电路中仪表放大器的采集精度。下面以ADI两款产品 — AD8421和AD8422为例，来分析仪表放大器的噪声、CMRR、PCB布局对精度的影响。

一、噪声对仪表放大器精度的影响

噪声的大小直接影响仪表放大器采集的精度。AD8421是一款低成本、低功耗、低噪声、低偏置电流、高速仪表放大器，特别适合各种信号调理和数据采集应用。可以在宽温度范围内，有高频共模噪声的情况下提取低电平信号。图1 以AD8421为例分析电路总噪声。基于以下假设：仪表放大器的±输入端源阻抗10KΩ，电阻另一端直接接地。

仪表放大器噪声来源包括：

电阻噪声（热噪声）
电压噪声
电流噪声

电阻噪声

1kΩ电阻的噪声频谱密度是 4nv/√Hz（计算公式Vn=√4KTRB）, 电阻R2的噪声 VR2noise=√10*4nv/√Hz=12.6nv/√Hz；同理 VR3noise=√10*4nv/√Hz=12.6nv/√Hz；电阻R2,R3引入的总噪声 VRnoise=√12.6²+12.6²=17.9nv/√Hz;

电流噪声

AD8421电流噪声是200 fA/√Hz; 便于计算，将单位换算为 0.2pA/√Hz和10*10³Ω；电流引入的总噪声 VInoise=√(0.2*10) ²+(0.2*10) ²=2.8nv/√Hz；

电压噪声

仪表放大器有两个电压噪声，分别是输入端Eni，输出端Eno；Eno会随着仪表放大器的增益增大而减小，Eni则保持不变；AD8421的Eni最大值是3.2 nv/√Hz；Eno是60 nv/√Hz；G=10；计算增益后的Eno=6 nv/√Hz；那么电压的总噪声 VVnoise=√3.2²+6²=6.8nv/√Hz. 仪表放大器AD8421的总噪声：VTnoise=√17.9²+2.8²+6.8²=19.3nv/√Hz；

由以上计算可以发现，虽然仪表放大器有三个噪声来源，但是其主要噪声贡献来自于电阻噪声；主要噪声贡献来源于哪些具体噪声，取决于源阻抗的阻值和放大器的增益倍数。

二、CMRR对仪表放大器精度的影响

AD8422是AD620发展到第三代的产品。AD8422的低功耗，低噪声和高共模抑制比特性是测量惠斯通电桥的理想选择。图2为电桥的方案。

仪表放大器用来提取存在共模电压的微弱差分信号。为了保证采集精度，共模抑制比尤为重要。共模抑制比用来描述差分增益与共模增益之比，一般用V/V或dB; CMRRV/V = ADIFF/ACM。CMRRdB = 20log(ADIFF/ACM) = 20log(ADIFF) - 20log(ACM)。

以AD8422为例，当G=1时CMRR=94dB；共模电压2.5V时，输入失调电压变化0.05mv,如果放大100倍，即 CMRR=120dB；对应输出失调电压变化 0.25mv。Vos=(Vcm/CMRR)*Gain；从公式里可以看出Vos与增益是有关系的。从上面的分析可以看出Vos的变化是非常小的，这能满足大多数客户的需求。

CMRR随着仪表放大器增益变大而提高，但是也会出现一些仪表放大器在高增益时CMRR逐渐降低的情况。比如，如果一个仪表放大器CMRR=100dB；当增益提高40dB时，CMRR可能只能到125dB,这就是“CMRR压缩”，然而AD8422的CMRR可以达到160dB,这也是很少见的。