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AD855x系列在微弱信号检测中的应用

2020-01-12 16:20 120 查看

http://article.ednchina.com/Analog/20081010082603.htm 国防科技大学理学院范磊谢元平　　对于众多需要检测的微弱量，如弱光、弱磁、微温度、微电流、微振动、小位移等，通常都是通过各种传感器做非电量的转换，使检测对象转变为电量（电流或电压）。由于所测对象本身为微弱量，受各种不同传感器灵敏度的限制，所得到的电量还是小信号，一般不能直接用于采样处理。在信号检测的电路设计中，一般信号都需要经过一级或多级的前置放大。此时的信号中所包含的噪声包括2个方面：一是来自电路检测系统的外部，例如市电干扰、温度涨落、以及宇宙射线等，克服这类噪声的办法是采用严密的电磁屏蔽；二是由于前置放大所带来的噪声，这类噪声不能通过屏蔽的办法克服，只能通过选用性能优越的前置放大器以及低噪声设计电路来使噪声影响最小，其中性能优越的放大器是其中的关键。AD855x系列是由AD公司生产的低噪声、零漂移、单电源的放大器。其优越的性能使其成为很多信号检测电路中前放的首选。　　1一般放大器存在的问题 　　图1为一般的放大电路，图中ES为信号源，E1/f为半导体的低频噪声，VOS A为放大器的固有偏置，VOUT为输出信号，A为放大倍数。可以计算输出信号为：　　由式（1）可见，在放大信号的同时，放大器的低频率噪声和固有偏置也同时得到放大，这就大大减小了信噪比，特别在所要检测信号为极小的微弱信号时，经前置放大后的信号根本无法使用。　　传统的解决办法如图2所示，在电路中加入开关A，B。开关一般由单片机等逻辑电路控制，当A关，B开时，输出为式（1），当A开，B关时，输出为：　　则经过调偏后的放大信号：　　式中，T为开关转换的周期。这种办法可以很有效地抑制低频及偏置噪声，但是由于需要外部的逻辑控制电路，这就增加了电路中的元器件以及在控制上的困难，而且要得到很好的抑制就需要很高的控制频率，这都使得这种方法在很多时候并不可行。AD855x系列放大器解决了这些问题，使其成为低频微弱信号检测前置放大器的首选。　　2AD855x系列的性能特点 　　AD855x系列包括的AD8551，AD8552，AD8554分别为1，2，4通道的放大器。AD855x系列是CMO S结构的高精密度railtorail放大器。只需5 V或2.7 V单电源供电。小于1 μV的电压偏置使其可以设定为很大的增益而不会带来大的输出电压误差。极小的电压温度偏移（5nV/℃）使其工作在-40~+125 ℃只会有一个很小的电压偏置。　　(1) AD855x系列的结构 　　AD855x系列放大器内部都是由2个放大器组成，一个主放大器和一个从放大器，主放大器对信号进行放大，从放大器用来调整主放大器的偏置电压，其结构如图3所示。　　(2) AD855x系列的放大原理 　　在图3中，VIN+，VIN-为差分输入信号，VOSA，V OSB分别为A，B放大器的固有偏置，AA，AB分别为A，B放大器的增益系数，BA，BB分别为A，B放大器的偏置增益系数，M，N开关的状态决定放大器2个工作阶段:偏置调整阶段和放大阶段。　　M关，N开，放大器处于调整偏置阶段，由图3可得：　　M开，N关，放大器处于放大输出阶段，由图3得：　　由于TS远小于VOSA,VOSB的变化时间，可认为在TS时间内V OSA,VOSB不变，可得：　　AD855x系列采用最优化设计，即AA=AB，BA=BB>>1因此上式可化简为：　　由式(11)可见，AD855x系列放大器对信号的放大倍数为AAAB，而对放大器固有偏置（VOSA+VOSB）的放大倍数仅为AA。由此可见，使用A D855x系列放大器只会带来极小的放大器固有偏置。　　(3) AD855x系列的低频噪声特性 　　低频噪声由于其功率谱密度遵从1/f变化，所以又称1/f噪声。这种噪声十分普遍，不仅存在于电子管，半导体管，二极管和电阻中，也存在于热敏电阻，碳拾音器和光源中。在半导体器件中，1/f噪声主要是由半导体材料表面性质所引起的。表面能态中载流子的激励和复合，以及表面状态密度等是影响1/f噪声的主要因素。一般的放大器在低频工作时会带来很大的低频噪声影响，AD855x系列放大器的另一大优点就是对低频噪声的抑制。由于AD855x系列放大器有自动偏置调整的功能，半导体管带来的低频噪声会像对待固有偏置一样加以抑制。这使得AD855x系列放大器可以用于低频甚至直流信号而不会带来大的低频噪声。 3AD8554使用 　　加速度计、压力传感器是经常用到的传感系统，大部分的应力传感系统的信号为低频、微弱小信号，但是几乎都对标度的线形度要求很高。这就使得前置放大器的偏置和漂移带来的影响显得极为重要。　　图4为一桥式应力传感系统的前放电路，多数情况下电桥输出为几十毫伏的信号，因此放大器小的固有偏置都会给信号检测带来很大的影响，AD8554的自动偏置调零的特点正好满足了这一要求。另外，AD8554为4通道放大器使得整个前放系统器件少，电路简单。　　桥式应力传感系统使用AD8554的另一优点即小的输入电流允许在设计过程中使用电阻大的电桥以提高检测的精度，小的输入电流使电桥不会因为发热带来因温度变化造成的测量误差。而且消耗功率小，很适合应用于低功耗，便携系统中。　　4结语 　　在微弱信号检测中模拟前放的好坏是整个检测系统的关键， AD公司生产AD855x系列放大器以其低噪声，零漂移，单电源，输入电阻大的优越性能为低频微弱信号检测提供了很好的选择。通过对其工作原理的分析和具体一例更加说明了其优越的性能。