噪声对放大器精度的影响

[导读]在构建精确的模拟信号链时，我们应该在选择组件时考虑几个因素，以保持结果测量的准确性：偏移、偏移漂移（随温度）、增益误差或线性度以及低频噪声。在许多高精度应用中，源信号非常小，需要很大的增益来调整信号电平。这在精密数据采集系统中非常常见，我们必须调整源信号以匹配模数转换器(ADC)的输入范围。

在构建精确的模拟信号链时，我们应该在选择组件时考虑几个因素，以保持结果测量的准确性：偏移、偏移漂移（随温度）、增益误差或线性度以及低频噪声。在许多高精度应用中，源信号非常小，需要很大的增益来调整信号电平。这在精密数据采集系统中非常常见，我们必须调整源信号以匹配模数转换器(ADC)的输入范围。

乍一看，我们可能会选择典型的运算放大器，而没有意识到失调电压是输入参考的，因此会受到增益的影响。当我们增加大量增益（例如 A=100）时，失调电压可能会增加大量误差。例如，如果我们有一个典型的放大器，其输入偏移为 3mV，增益为 100，则潜在的满量程误差为 300mV，或大约三分之一伏特。对于 3.3V 输入 ADC，系统将有大约 10% 的误差。

多年来，设计人员在精密放大器设计方面取得了长足的进步，以消除偏移并在温度范围内对其进行校准，从而产生出色的漂移数。但随着精度的提高，其他因素开始占主导地位——主要由放大器架构或物理驱动，并被归为“噪声”或电气不确定性类别。

一组称为斩波稳定放大器的精密放大器使用替代的开关路径来消除输入偏移。这种技术在消除偏移和随温度跟踪方面做得非常出色，但也会引入斩波噪声。然而，噪声往往高于 10kHz，因此我们可以轻松地将其从时间常数相当长的大多数精密应用中滤除（例如测量温度时）。

还有另一种隐蔽的噪声源，称为 1/f (one-over-f) 噪声，也称为闪烁噪声。顾名思义，闪烁噪声随着频率的降低而增加——通常在低频精密测量区域。噪声功率的平均斜率为 -10db/decade，由放大器半导体材料的各种物理特性引起（见图 1）。1/f 噪声是无限的，并且会随着时间的推移而增加，这使得该噪声源的测量变得非常困难——除非我们想等待数年才能得到答案。这个噪声源在低频占主导地位，就像我之前的输入偏移示例一样，它也是增益的函数。所以在高增益系统（A > 100）中，这种噪声可能很大。

图 1 – 1/f 噪声和宽带噪声线的交点形成了大多数放大器中常见的 1/f 角。低频噪声与频率成反比增长，在高精度系统中存在问题。

为了对抗这种噪声源，一种新的设备已经问世，它解决了 1/f 噪声问题。INA188是一款仪表放大器，不仅具有出色的世界级偏移和漂移规格，而且消除了闪烁噪声与宽带噪声相交的 1/f 拐角，提供低至 0.1Hz 的平坦本底噪声。

INA188 是一款精密的仪表放大器，其采用德州仪器 (TI) 专有的自动归零技术，可实现低偏移电压、近零偏移和增益漂移、出色的线性度以及向下扩展至直流的超低噪声密度 (12nV/√Hz)。

INA188 经优化可提供超过 104dB 的出色共模抑制比 (G ≥ 10)。出色的共模和电源抑制性能可为高分辨率的精密测量应用提供支持。这种通用型三运放设计可提供轨到轨输出、由 4V 单电源或高达 ±18V 的双电源供电的低电压运行以及一个高阻抗的宽输入范围。这些规范值使得该器件成为通用信号测量和传感器调节应用（如温度或桥式应用）的理想选择。

可通过单个外部电阻在 1 到 1000 范围内设置增益。 INA188 设计为采用符合行业标准的增益公式： G = 1 + (50kΩ / RG)。基准引脚可用于单电源运行过程中的电平转换或者用于偏移校准。

INA188 的额定运行温度范围为 -40°C 至 +125°C。

出色的直流性能：

低输入偏移电压：55μV（最大值）

低输入偏移漂移：0.2μV/°C（最大值）

高共模抑制比 (CMRR)：104dB，增益 ≥ 10（最小值）

低输入噪声：

1kHz 时为 12nV/√Hz

0.25 μVPP（0.1Hz 至 10Hz）

宽电源范围：

单电源：4V 至 36V

双电源：±2V 至 ±18V