低固定增益差分放大器的噪声测量

2017-4-10 13:14:58 2524 测量

长期用于消费类电子产品的发光二极管(L E D)，最近也开始用于汽车照明领域，用来提供信号功能、日间行驶灯和车内照明。随着这项照明技术日益普及，制造商也在不断研究新的应用方式，以便充分发挥LED前大灯和尾灯时尚美观的优势。由随机小电压构成的噪声可能很难测量，实验室仪器本身的噪声使测量问题进一步复杂化。测量噪声时，常常要使用专门的技术。例如，放大器通常配置为高闭环增益，以使放大输入噪声便于测量。但是，低固定增益差分放大器的噪声测量面临着更大的问题，它集成反馈和增益电阻，不方便使用高增益配置。此外，为了与频谱分析仪接口，需要进行差分单端转换。第二级放大器可以提供增益并执行差分单端转换，巧妙地解决上述两个问题。

图1显示可选增益（1、2或3）差分放大器后接低噪声、低失真运算放大器。lA D8099将差分输出转换为单端信号，增益设为10。与A D A 4 9 5 0 -1相比，A D8099的1n V/√H z等效输入电压噪声可忽略不计。A D A 4 9 5 0 -1 的输出放大10倍，其噪声也成比例放大。利用0.5pF补偿电容和10倍增益，A D8099具有足够的带宽来测量A D A 4 9 5 0 -1 的噪声；在系统的频率响应开始滚降之前，工作频率最高可达10 MHz。

图1. 利用低噪声、低失真运算放大器A D8099测量可选增益差分放大器ADA4950-1的噪声

AD8099的输出电压为:

(1)

当输入接地时，测得的A D8099噪声贡献视为测量系统的噪底，然后测量包括A D A 4 9 5 0 -1的总输出噪声，A D A 4 9 5 0 -1 的噪声即为RSS（和的平方根）方法，用总噪声减去A D8099的噪声贡献。如式2所示；其中Vn1为A DA 4 9 5 0 -1的输出噪声， Vn2为AD8099的输出噪声。

总输出噪声为：

(2)

为了精确测量系统噪声，还采用了其它几项技术：

测量A D8099的噪声时，其输入通过SMA连接器接地，SMA连接器的芯线对连接器的接地引脚短路。此外，SMA 连接器焊在一起，直接在连接器上形成共用接地连接，而不是通过电路板。
D8099和A D A 4 9 5 0 -1使用模拟控制电源。与数字控制电源相比，模拟控制电源能更好地抑制60Hz电力线耦合的噪声和谐波。
所有邻近仪器均关闭，除非测量需要使用。这可以最大程度减少由这些仪器控制器数字电路而产生的振荡，这些振荡可以通过空气耦合至放大器。出于同样的原因，使用4英尺电缆将电路板连接到频谱分析仪，频谱分析仪会拾取显示器的刷新频率，从而影响AD8099的输出。
为使A D8099的噪声贡献较小，使用低值电阻 (RF = 2 5 0 Ω; RG= 25 Ω) 配置其增益。较低的值会引起A D8099 振荡。当用短电缆将A D A 4 9 5 0 -1与A D8099 相连时，在250 M Hz时可观察到振荡。当使用1英尺电缆时，振荡消失。

AD8099本身的噪声贡献非常小：

(3)

其中vn为输入电压噪声，ni+和ni-为AD8099的输入电流噪声。

因为需要一个大反馈电阻来放大该噪声，但内部反馈电阻值无法改变，所以不可能测量A DA 4 9 5 0 -1的电流噪声。

图2所示的是测量结果，测量100kHz及以下的噪声使用的是Stanford Research S ys tems S R785，测量100 k H z 以上的噪声使用的是A gilen t E4440 PSA频谱分析仪。

图2. 测试结果