用少量元件實(shí)現(xiàn)噪聲減半的自動(dòng)調(diào)零放大器

Analog Devices AD8553自動(dòng)調(diào)零儀表放大器有一個(gè)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，它的兩只增益設(shè)定電阻沒有公共節(jié)點(diǎn)（參考文獻(xiàn)1）。該IC的前級(jí)是一個(gè)精密電壓/電流轉(zhuǎn)換器，其中增益電阻R1設(shè)定了互導(dǎo)的大小。IC的后級(jí)是一個(gè)精密電流/電壓轉(zhuǎn)換器，與反饋電阻R2的值共同確定了總體電壓增益，即G=2(R2/R1)。會(huì)發(fā)現(xiàn)，兩只增益設(shè)定電阻是相互獨(dú)立的，輸入級(jí)是一個(gè)壓控電流源，可以減少有極端降噪需求的放大器的元件數(shù)。

　　有兩種方式，用更多的放大器來降低噪聲。首先，假設(shè)放大器中的隨機(jī)噪聲源互相獨(dú)立。另外，假設(shè)噪聲服從一種高斯分布。當(dāng)對(duì)傳統(tǒng)電壓放大器輸出作均化時(shí)，可以用N只放大器和三倍數(shù)量的電阻，將噪聲降低到1/√N（參考文獻(xiàn)2）。AD8553的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以只用N+1只電阻，將幾乎無限數(shù)量的IC并行工作。通過將更多IC的相應(yīng)輸入端并聯(lián)，連接起來的內(nèi)部電壓/電流源也很容易并行工作（圖1）。多只IC的并聯(lián)輸入端有微伏級(jí)的輸入電壓偏置失配，在這里是無害的，因?yàn)殡妷?電流轉(zhuǎn)換器的輸出電阻理論上是無限大。

　　N個(gè)輸入級(jí)并聯(lián)的最終結(jié)果是，它們的輸出電流為N(VINP-VINN)/(2R1)，或者是單只IC的N倍。只要使用N只IC電流/電壓級(jí)中的一級(jí)。該級(jí)的反饋電阻阻值為R2/N，其中R2是對(duì)應(yīng)于單只IC所需電壓增益AV的值。由于放大器IC中的主要噪聲源是其輸入級(jí)，可以假設(shè)N個(gè)并聯(lián)電壓/電流轉(zhuǎn)換器的輸出電流隨機(jī)成份的標(biāo)準(zhǔn)差為sNI=sI×√N，其中sI是一個(gè)電壓/電流轉(zhuǎn)換器的輸出電流隨機(jī)成份的標(biāo)準(zhǔn)差。這些結(jié)果與參考文獻(xiàn)2中所述有差別，該文作者是通過多個(gè)電壓的平均來實(shí)現(xiàn)降噪。另一方面，圖1中電壓/電流轉(zhuǎn)換器公共輸出的電流確定部分是單只IC值的N倍。下列公式用于計(jì)算RSNR（相對(duì)信噪比），它定義為對(duì)輸出噪聲標(biāo)準(zhǔn)差的輸出電流：RSNRN=(N×I)/(sI×√N)=√N×RSNR1。公式的含意是：與單只IC相比，實(shí)際電路噪聲降低了1/√N。