《電子技術(shù)應(yīng)用》
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低固定增益差分放大器的噪聲測(cè)量
摘要: 由隨機(jī)小電壓構(gòu)成的噪聲可能很難測(cè)量,實(shí)驗(yàn)室儀器本身的噪聲使測(cè)量問(wèn)題進(jìn)一步復(fù)雜化。測(cè)量噪聲時(shí),常常要使用專門(mén)的技術(shù)。例如,放大器通常配置為高閉環(huán)增益,以使放大輸入噪聲便于測(cè)量。但是,低固定增益差分放大器的噪聲測(cè)量面臨著更大的問(wèn)題,它集成反饋和增益電阻,不方便使用高增益配置。此外,為了與頻譜分析儀接口,需要進(jìn)行差分單端轉(zhuǎn)換。第二級(jí)放大器可以提供增益并執(zhí)行差分單端轉(zhuǎn)換,巧妙地解決上述兩個(gè)問(wèn)題。
Abstract:
Key words :

由隨機(jī)小電壓構(gòu)成的噪聲可能很難測(cè)量,實(shí)驗(yàn)室儀器本身的噪聲使測(cè)量問(wèn)題進(jìn)一步復(fù)雜化。測(cè)量噪聲時(shí),常常要使用專門(mén)的技術(shù)。例如,放大器通常配置為高閉環(huán)增益,以使放大輸入噪聲便于測(cè)量。但是,低固定增益差分放大器的噪聲測(cè)量面臨著更大的問(wèn)題,它集成反饋和增益電阻,不方便使用高增益配置。此外,為了與頻譜分析儀接口,需要進(jìn)行差分單端轉(zhuǎn)換。第二級(jí)放大器可以提供增益并執(zhí)行差分單端轉(zhuǎn)換,巧妙地解決上述兩個(gè)問(wèn)題。

圖1顯示可選增益(1、2或3)差分放大器ADA4950-1后接低噪聲、低失真運(yùn)算放大器AD8099。AD8099將差分輸出轉(zhuǎn)換為單端信號(hào),增益設(shè)為10。與ADA4950-1相比,AD8099的1nV/√Hz等效輸入電壓噪聲可忽略不計(jì)。ADA4950-1的輸出放大10倍,其噪聲也成比例放大。利用0.5pF補(bǔ)償電容和10倍增益,AD8099具有足夠的帶寬來(lái)測(cè)量ADA4950-1的噪聲;在系統(tǒng)的頻率響應(yīng)開(kāi)始滾降之前,工作頻率最高可達(dá)10 MHz。


AD8099 provides gain, Diff-to-SE conversion

圖1. 利用低噪聲、低失真運(yùn)算放大器A D8099測(cè)量可選增益差分放大器ADA4950-1的噪聲


AD8099的輸出電壓為:eq 1                                     (1)

當(dāng)輸入接地時(shí),測(cè)得的AD8099噪聲貢獻(xiàn)視為測(cè)量系統(tǒng)的噪底,然后測(cè)量包括ADA4950-1的總輸出噪聲,ADA4950-1的噪聲即為RSS(和的平方根)方法,用總噪聲減去AD8099的噪聲貢獻(xiàn)。如式2所示;其中Vn1為ADA4950-1的輸出噪聲,Vn2為AD8099的輸出噪聲。

總輸出噪聲為: eq 2                                                               (2)

為了精確測(cè)量系統(tǒng)噪聲,還采用了其它幾項(xiàng)技術(shù):

  • 測(cè)量AD8099的噪聲時(shí),其輸入通過(guò)SMA連接器接地,SMA連接器的芯線對(duì)連接器的接地引腳短路。此外,SMA連接器焊在一起,直接在連接器上形成共用接地連接,而不是通過(guò)電路板。
  • AD8099和ADA4950-1使用模擬控制電源。與數(shù)字控制電源相比,模擬控制電源能更好地抑制60Hz電力線耦合的噪聲和諧波。
  • 所有鄰近儀器均關(guān)閉,除非測(cè)量需要使用。這可以最大程度減少由這些儀器控制器數(shù)字電路而產(chǎn)生的振蕩,這些振蕩可以通過(guò)空氣耦合至放大器。出于同樣的原因,使用4英尺電纜將電路板連接到頻譜分析儀,頻譜分析儀會(huì)拾取顯示器的刷新頻率,從而影響AD8099的輸出。
  • 為使AD8099的噪聲貢獻(xiàn)較小,使用低值電阻(RF = 250 Ω; RG = 25 Ω)配置其增益。較低的值會(huì)引起AD8099振蕩。當(dāng)用短電纜將ADA4950-1與AD8099相連時(shí),在250 MHz時(shí)可觀察到振蕩。當(dāng)使用1英尺電纜時(shí),振蕩消失。

AD8099本身的噪聲貢獻(xiàn)非常小:

eq3         (3)

其中vn為輸入電壓噪聲,ni+和ni-為AD8099的輸入電流噪聲。

因?yàn)樾枰粋€(gè)大反饋電阻來(lái)放大該噪聲,但內(nèi)部反饋電阻值無(wú)法改變,所以不可能測(cè)量ADA4950-1的電流噪聲。

圖2所示的是測(cè)量結(jié)果,測(cè)量100 kHz及以下的噪聲使用的是Stanford Research Systems SR785,測(cè)量100 kHz以上的噪聲使用的是Agilent E4440 PSA頻譜分析儀。

test results

圖2. 測(cè)試結(jié)果

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