用少量元件实现噪声减半的自动调零放大器

Analog Devices AD8553自动调零仪表放大器有一个独特的结构，它的两只增益设定电阻没有公共节点（参考文献1）。该IC的前级是一个精密电压/电流转换器，其中增益电阻R1设定了互导的大小。IC的后级是一个精密电流/电压转换器，与反馈电阻R2的值共同确定了总体电压增益，即G=2(R2/R1)。会发现，两只增益设定电阻是相互独立的，输入级是一个压控电流源，可以减少有极端降噪需求的放大器的元件数。

　　有两种方式，用更多的放大器来降低噪声。首先，假设放大器中的随机噪声源互相独立。另外，假设噪声服从一种高斯分布。当对传统电压放大器输出作均化时，可以用N只放大器和三倍数量的电阻，将噪声降低到1/√N（参考文献2）。AD8553的内部结构可以只用N+1只电阻，将几乎无限数量的IC并行工作。通过将更多IC的相应输入端并联，连接起来的内部电压/电流源也很容易并行工作（图1）。多只IC的并联输入端有微伏级的输入电压偏置失配，在这里是无害的，因为电压/电流转换器的输出电阻理论上是无限大。

　　N个输入级并联的最终结果是，它们的输出电流为N(VINP-VINN)/(2R1)，或者是单只IC的N倍。只要使用N只IC电流/电压级中的一级。该级的反馈电阻阻值为R2/N，其中R2是对应于单只IC所需电压增益AV的值。由于放大器IC中的主要噪声源是其输入级，可以假设N个并联电压/电流转换器的输出电流随机成份的标准差为sNI=sI×√N，其中sI是一个电压/电流转换器的输出电流随机成份的标准差。这些结果与参考文献2中所述有差别，该文作者是通过多个电压的平均来实现降噪。另一方面，图1中电压/电流转换器公共输出的电流确定部分是单只IC值的N倍。下列公式用于计算RSNR（相对信噪比），它定义为对输出噪声标准差的输出电流：RSNRN=(N×I)/(sI×√N)=√N×RSNR1。公式的含意是：与单只IC相比，实际电路噪声降低了1/√N。