传感器电路的低噪声信号调理
2009-02-04 09:40:49
来源：《半导体器件应用》2009年1-2月刊
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1 前言
随着模数转换器和数模转换器分辨率的提高以及电源电压的降低，最低有效位（LSB）变得更小，这使得信号调理任务变得更加困难。由于信号大小更接近于本底噪声，因此，必须对外部和内部噪声源（包括Johnson、散粒、宽带、闪烁和EMI）进行处理。
不相关的噪声源采用平方根和(RSS)的形式进行叠加 ：
(1)
另一方面，其它相关噪声源，如输入偏置电流消除等，必须采用带有相关因子的RSS形式进行叠加。
(2)
图1 所示的是典型信号调理电路中的噪声源，以及可用于反相、同相、差分及其它通用配置的通用公式。
2正确的设计方法
从传感器及其特征噪声、阻抗、响应和信号幅度入手，实现最低的折合到输入端(RTI)噪声将能够优化信噪比(SNR)。
与先解决增益和功耗需求、然后再努力应对噪声问题的方法相比，围绕着低噪声来解决问题将更加有效。这是一个重复的过程，首先考虑放大器的工作区：宽带或1/f。接着，挑选合适的有源器件，设计最佳的噪声特性。在放大器周围放置无源器件，并限制带宽。然后分析非噪声需求，如输入阻抗、电源电流和开环增益。如果没有达到噪声指标，则重复这一过程，直到获得可以接受的解决方案为止。
3运算放大器的选择
在一些情况下，宽带噪声为22nV/的运算放大器可能优于宽带噪声为10nV/的器件。如果传感器工作在极低的频率下，那么，具有低1/f噪声的放大器可能是最好的。
ADI公司的OP177等标准放大器的噪声频谱密度类似于图2(a)的曲线。而自稳零放大器能连续校准输入端随时间和温度的变化而出现的任意误差。由于1/f噪声渐进的逼近直流，放大器也能校准这一误差。图2(b)所示，第一代自稳零放大器不表现出1/f噪声，因而适用于低频传感器信号调理。图2(c)所示，第二代自稳零放大器具有较低的宽带噪声（22nV/），通过PSpice宏模型能精确的仿真放大器电压噪声，显示出1/f噪声已被消除。
4轨到轨输入
对于低压设计来说，轨到轨（RR）输出和输入可能是适合的。当共模输入从一条轨转到另一条轨时，一个差分输入对停止工作，另一个差分输入对则接着工作。失调电压和输入偏置电流可能突然变化，引起如图3所示的失真。对于低噪声设计来说，请检查对轨到轨输入特性的需求。
为了解决这个问题，ADI公司的AD8506 等运算放大器使用内部电荷泵来消除输入电压交越失真。如果设计不正确，而使电荷泵产生的噪声落入有用频带时，这些噪声将会出现在输出端，引起问题。
5偏置电流消除
最新的双极性运算放大器使用一种技术来消除输入偏置电流造成的部分影响，这个技术会增加不相关或相关的电流噪声。对于一些放大器来说，相关噪声可能大于不相关噪声。例如，为ADI公司的OP07增加阻抗平衡电阻，就能改进整体噪声。表1 比较了ADI公司两款广泛应用的运算放大器，一款是用较高电压噪声换取较低电流噪声的OP07，另一款是OP27。
从可获得的低噪声器件中选择三到四个器件。考虑工艺技术，寻找自稳零、斩波和偏置电流消除等专业设计技术。从晶圆照片查看输入晶体管区域，大输入晶体管的噪声较低，但具有大的输入电容，而CMOS和JFET放大器的电流噪声远小于双极性器件。低噪声设计要使用小电阻，所以放大器输出驱动必须足够大，以驱动大负载。
6无源元件的选择
选择放大器之后，在放大器周围放置合适的电阻和电容，而这些元件也有噪声。图4 所示的是使用错误的电阻值所造成的影响。输出噪声随着用于设置增益的电阻的增大而增大。
图4 中三种情形的增益都是1000。
了解传感器的特性是非常重要的。忽略R1和R2的噪声，集中考虑源阻抗R的噪声，图5显示出当R值较小时，电压噪声占主导地位；当R值为中等大小时，John噪声占主导；当R值较大时，电流噪声的贡献较大。因此，低输出阻抗的传感器应该使用小电阻和具有低电压噪声的运算放大器。
除电阻之外，电容也能用于补偿和减小噪声。电抗元件不增加任何噪声，但流经它们的噪声电流将产生噪声电压，影响计算。总之，重要的是在放大器周围使用低阻抗来降低电流噪声、热噪声和EMI杂散干扰拾取的影响。
7带宽选择
选择好放大器以及相关的电阻和电容之后，下一步是设计最佳带宽（BW）。不要设计过宽的带宽，带宽应该足够通过基频和重要的谐波，但不要过宽。选择具有足够带宽的放大器，在其后放置RC滤波器，放大器本身也是单极点滤波器。放大器和电阻在带宽范围内都有噪声，因此，带宽越大，输出噪声越大，SNR越低。
图6所示的是在与前面具有相同配置的电路中使用具有不同带宽的放大器时，放大器带宽与噪声之间的关系。为限制附加的噪声，带宽应该尽可能的窄。
为限制带宽，在传感器之后使用 RC 滤波器，产生的负载问题可使用缓冲器来解决，如图 7 所示。
具有所示规格和配置的放大器（放大器带宽为350MHz）和 ADC 将具有 166 μVrms 的噪声。在运算放大器之后增加 RC 滤波器后，将产生 50MHz 的有效带宽，能把噪声降低到 56 μVrms。
如图 7 所示，使用正确的 RC 减小带宽能极大的提高SNR，但是电阻本身会增加噪声。降低带宽的另一个更好的办法是使用如图 8c 所示的电路，它把电阻放入运算放大器的反馈环路中，将其影响降低（1+环路增益）倍，不要忘了在电源引脚使用足够的去耦电容来降低信号路径的电源噪声。
在进行完这些步骤之后，再检查其它的系统需求，比如：
所选的器件是否满足其它目标规格？
放大器是否需要采用双电源供电？
是否有正电源？
放大器的功耗是否太大？
器件是否太过昂贵？
如果有需求不能满足，请返回第1步，重复这个设计过程。
8结论
每个传感器都有其噪声、阻抗和响应特性，因此，将这些特性匹配到模拟前端是非常重要的。正确定义的低噪声设计步骤能用于解决当今应用中的许多挑战，以获得最佳 SNR。
这个重复的过程将产生最适合目前挑战性应用的信号调理方案。
参考文献
[1] Brokaw，Paul，“AN-202 An IC Amplifier User's Guide to Decoupling，Grounding，and Making Things Go Right for a Change”www.analog.com
[2] Sheingold，D.H.and Smith，Lewis，“AN-358 Noise and Operational Amplifier Circuits”www.analog.com
[3] Lee，Paul，“AN-940 Low Noise Amplifier Selection Guide for Optimal Noise Performance”www.analog.com
[4] Bryant，James Bryant and Lew Counts.1990.“Op Amp Issues-Noise，”Analog Dialogue.Analog Devices Inc.(24-2).
[5] Motchenbacher，C.D.，and J.A.Connelly.1993.Low-Noise Electronic System Design.New York:John Wiley&Sons， Inc.
作者简介
Reza Moghimi现任ADI公司精密模拟产品部应用工程经理。他拥有圣何塞州立大学（SJSU）BSEE和MBA学位。加入ADI公司之前，Reza曾在Raytheon Corp、Siliconix Inc.以及Precision Monolithic Inc（PMI）工作过。
随着模数转换器和数模转换器分辨率的提高以及电源电压的降低，最低有效位（LSB）变得更小，这使得信号调理任务变得更加困难。由于信号大小更接近于本底噪声，因此，必须对外部和内部噪声源（包括Johnson、散粒、宽带、闪烁和EMI）进行处理。
不相关的噪声源采用平方根和(RSS)的形式进行叠加 ：
(1)
另一方面，其它相关噪声源，如输入偏置电流消除等，必须采用带有相关因子的RSS形式进行叠加。
(2)
图1 所示的是典型信号调理电路中的噪声源，以及可用于反相、同相、差分及其它通用配置的通用公式。
2正确的设计方法
从传感器及其特征噪声、阻抗、响应和信号幅度入手，实现最低的折合到输入端(RTI)噪声将能够优化信噪比(SNR)。
与先解决增益和功耗需求、然后再努力应对噪声问题的方法相比，围绕着低噪声来解决问题将更加有效。这是一个重复的过程，首先考虑放大器的工作区：宽带或1/f。接着，挑选合适的有源器件，设计最佳的噪声特性。在放大器周围放置无源器件，并限制带宽。然后分析非噪声需求，如输入阻抗、电源电流和开环增益。如果没有达到噪声指标，则重复这一过程，直到获得可以接受的解决方案为止。
3运算放大器的选择
在一些情况下，宽带噪声为22nV/的运算放大器可能优于宽带噪声为10nV/的器件。如果传感器工作在极低的频率下，那么，具有低1/f噪声的放大器可能是最好的。
ADI公司的OP177等标准放大器的噪声频谱密度类似于图2(a)的曲线。而自稳零放大器能连续校准输入端随时间和温度的变化而出现的任意误差。由于1/f噪声渐进的逼近直流，放大器也能校准这一误差。图2(b)所示，第一代自稳零放大器不表现出1/f噪声，因而适用于低频传感器信号调理。图2(c)所示，第二代自稳零放大器具有较低的宽带噪声（22nV/），通过PSpice宏模型能精确的仿真放大器电压噪声，显示出1/f噪声已被消除。
4轨到轨输入
对于低压设计来说，轨到轨（RR）输出和输入可能是适合的。当共模输入从一条轨转到另一条轨时，一个差分输入对停止工作，另一个差分输入对则接着工作。失调电压和输入偏置电流可能突然变化，引起如图3所示的失真。对于低噪声设计来说，请检查对轨到轨输入特性的需求。
为了解决这个问题，ADI公司的AD8506 等运算放大器使用内部电荷泵来消除输入电压交越失真。如果设计不正确，而使电荷泵产生的噪声落入有用频带时，这些噪声将会出现在输出端，引起问题。
5偏置电流消除
最新的双极性运算放大器使用一种技术来消除输入偏置电流造成的部分影响，这个技术会增加不相关或相关的电流噪声。对于一些放大器来说，相关噪声可能大于不相关噪声。例如，为ADI公司的OP07增加阻抗平衡电阻，就能改进整体噪声。表1 比较了ADI公司两款广泛应用的运算放大器，一款是用较高电压噪声换取较低电流噪声的OP07，另一款是OP27。
从可获得的低噪声器件中选择三到四个器件。考虑工艺技术，寻找自稳零、斩波和偏置电流消除等专业设计技术。从晶圆照片查看输入晶体管区域，大输入晶体管的噪声较低，但具有大的输入电容，而CMOS和JFET放大器的电流噪声远小于双极性器件。低噪声设计要使用小电阻，所以放大器输出驱动必须足够大，以驱动大负载。
6无源元件的选择
选择放大器之后，在放大器周围放置合适的电阻和电容，而这些元件也有噪声。图4 所示的是使用错误的电阻值所造成的影响。输出噪声随着用于设置增益的电阻的增大而增大。
图4 中三种情形的增益都是1000。
了解传感器的特性是非常重要的。忽略R1和R2的噪声，集中考虑源阻抗R的噪声，图5显示出当R值较小时，电压噪声占主导地位；当R值为中等大小时，John噪声占主导；当R值较大时，电流噪声的贡献较大。因此，低输出阻抗的传感器应该使用小电阻和具有低电压噪声的运算放大器。
除电阻之外，电容也能用于补偿和减小噪声。电抗元件不增加任何噪声，但流经它们的噪声电流将产生噪声电压，影响计算。总之，重要的是在放大器周围使用低阻抗来降低电流噪声、热噪声和EMI杂散干扰拾取的影响。
7带宽选择
选择好放大器以及相关的电阻和电容之后，下一步是设计最佳带宽（BW）。不要设计过宽的带宽，带宽应该足够通过基频和重要的谐波，但不要过宽。选择具有足够带宽的放大器，在其后放置RC滤波器，放大器本身也是单极点滤波器。放大器和电阻在带宽范围内都有噪声，因此，带宽越大，输出噪声越大，SNR越低。
图6所示的是在与前面具有相同配置的电路中使用具有不同带宽的放大器时，放大器带宽与噪声之间的关系。为限制附加的噪声，带宽应该尽可能的窄。
为限制带宽，在传感器之后使用 RC 滤波器，产生的负载问题可使用缓冲器来解决，如图 7 所示。
具有所示规格和配置的放大器（放大器带宽为350MHz）和 ADC 将具有 166 μVrms 的噪声。在运算放大器之后增加 RC 滤波器后，将产生 50MHz 的有效带宽，能把噪声降低到 56 μVrms。
如图 7 所示，使用正确的 RC 减小带宽能极大的提高SNR，但是电阻本身会增加噪声。降低带宽的另一个更好的办法是使用如图 8c 所示的电路，它把电阻放入运算放大器的反馈环路中，将其影响降低（1+环路增益）倍，不要忘了在电源引脚使用足够的去耦电容来降低信号路径的电源噪声。
在进行完这些步骤之后，再检查其它的系统需求，比如：
所选的器件是否满足其它目标规格？
放大器是否需要采用双电源供电？
是否有正电源？
放大器的功耗是否太大？
器件是否太过昂贵？
如果有需求不能满足，请返回第1步，重复这个设计过程。
8结论
每个传感器都有其噪声、阻抗和响应特性，因此，将这些特性匹配到模拟前端是非常重要的。正确定义的低噪声设计步骤能用于解决当今应用中的许多挑战，以获得最佳 SNR。
这个重复的过程将产生最适合目前挑战性应用的信号调理方案。
参考文献
[1] Brokaw，Paul，“AN-202 An IC Amplifier User's Guide to Decoupling，Grounding，and Making Things Go Right for a Change”www.analog.com
[2] Sheingold，D.H.and Smith，Lewis，“AN-358 Noise and Operational Amplifier Circuits”www.analog.com
[3] Lee，Paul，“AN-940 Low Noise Amplifier Selection Guide for Optimal Noise Performance”www.analog.com
[4] Bryant，James Bryant and Lew Counts.1990.“Op Amp Issues-Noise，”Analog Dialogue.Analog Devices Inc.(24-2).
[5] Motchenbacher，C.D.，and J.A.Connelly.1993.Low-Noise Electronic System Design.New York:John Wiley&Sons， Inc.
作者简介
Reza Moghimi现任ADI公司精密模拟产品部应用工程经理。他拥有圣何塞州立大学（SJSU）BSEE和MBA学位。加入ADI公司之前，Reza曾在Raytheon Corp、Siliconix Inc.以及Precision Monolithic Inc（PMI）工作过。
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