利用自动归零噪声滤波器降低仪表放大器的输出噪声

引言

仪表放大器通常用于在高共模电压场合放大一个小的差分信号，有些应用要求高精度放 大器具有超低失调和漂移、低增益误差和高共模抑制比(CMRR)。

本文建议设计人员考虑 使用自动归零放大器来达到上述应用的要求。 自动归零放大器具有低电压失调、漂移，提供较高的增益和共模抑制比。但这类放大器有一个缺点：在自动归零频率及其倍频上存在明显的噪声。自动归零频率位于典型仪表 放大器的有效带宽以外。有些应用中，仪表放大器的输出直接连接到模/数转换器(ADC)，这些噪声会直接影响系统的性能。 本应用笔记介绍了一种简单的滤波技术，用来降低自动归零噪声，能够以最少的外围元件配合自动归零仪表放大器实现一个新颖的间接电流反馈架构。

仪表放大器的典型应用

仪表放大器在医疗系统中最流行的一种应用是心电监护仪(ECG)，这种监护仪利用与人体皮肤相接触的传感器监测心率。ECG 传感器成对使用，检测非常弱的差分信号，通常只有几百微伏到几个毫伏，并伴随有较大的失调电压。例如，病人的左、右臂之间的失 调电压可能达到200mV。差分交流信号通过具有高直流共模抑制比的仪表放大器放大， 放大电路还采用了高通滤波器，以消除不同传感器所产生的不同直流成分。

由于仪表放大器通常放置在整个放大链路的第一级，要求具备高输入阻抗和高CMRR。另外，由于输入差分信号处于亚毫伏级，放大器需要在标准的0.05Hz 至150Hz 带宽内提 供高增益。整个模拟链路的增益通常在1000 倍，因此，第一级仪表放大器的增益最好 在20 至100 范围内。考虑到高增益的需求，必须尽可能降低输入失调电压(VOS)，以确 保足够的输出动态范围。

抑制邻近设备及电力线的50Hz/60Hz 噪声是ECG 设计的基本要求，因此，仪表放大器在 50Hz/60Hz 频率处具有高CMRR 和电源抑制比(PSRR)成为一个影响设计的关键因素。最 后，带有关断功能的低功耗器件也是许多便携式ECG 系统设计的基本需求。

间接电流反馈架构

作为一种新型仪表放大器，Maxim 拥有专利的间接电流反馈架构*与传统的三运放架构 (图1)相比具有一些重要优势。关于间接电流反馈架构的详细内容，请参考Maxim 网站。



图1. 传统的三运放仪表放大器结构，虚线内的电阻是器件的外部电阻。

图2 是MAX4209 采用的新型间接电流反馈架构。



图2. MAX4209 间接电流反馈仪表放大器

图2 中的A 和B 分别是两个跨导放大器，从它们的差分输入电压产生输出电流，并对共模输入信号进行抑制。C 为高增益放大器，通过R1 和R2 提供负反馈。负反馈环路强制放大器A 和B 的两个差分输入端相等。因此，放大器输出和差分输入VIN 的关系如下：

VOUT = VIN × (1 + R2/R1)

其中：

VIN = VIN+ - VIN-