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并联放大器改善信噪比性能

星星科技指导员 来源:ADI 作者:Kevin Scott 2023-01-08 16:17 次阅读

处理低振幅信号可能具有挑战性。为了区分低电平信号和周围电路贡献的噪声,我们通常使用增益来放大高于本底噪声的信号。但是,标准放大器配置将输入信号、输入噪声和放大器的噪声贡献乘以放大器的增益。因此,当输入信号的幅度变大时,输入噪声和放大器增加的噪声也会变大,导致信噪比(SNR)没有改善。

有一种方法可以使用放大器不仅可以增加信号幅度,还可以提高SNR。这种方法的关键是在求和配置中使用放大器,了解相关和不相关信号之间的差异。在求和配置中,由于我们对两个不相关的噪声源(放大器噪声)求和,因此放大器噪声增加√2,而相关输入信号幅度增加2。该原理可以扩展到N个放大器,以显着改善SNR。

在数学上,单个放大器具有输入信号S在和增益G,总组合输入信号由信号(S在) 加上输入端的任何外部产生的噪声 (N在);这写为 S在+ N在.输出包括输出信号(S外) 加上总输出噪声 (N外);这些可以写为 S外= S在*G 和 N外= N在*G + N扩增1,分别,其中 N扩增1是由放大器本身引起的输出参考噪声。

SNR的计算方法是将输出RMS信号功率除以输出RMS噪声功率。结果是:

信噪比(一个放大器)= (S外)2/ (N外)2= (S在*G)2/ ((N在*G)2+ N扩增12)

假设外部噪声输入功率最小(为简单起见),将公式简化为(S在*G)2/ N扩增12.

现在,并联增加第二个放大器会使RMS信号功率增加2倍,但只会使RMS放大器噪声增加√2,因为放大器会增加不相关的噪声。因此,而不是噪音加倍(N扩增1加 N扩增2),我们得到的噪声为 √2*N安普尔.

poYBAGO6fA-ANXV5AAA_s5uFqP8092.jpg?la=en&h=300&imgver=1

两个并联放大器的SNR计算公式为:

信噪比(两个放大器)= (2S在*G)2/ ((2N在*G)2+ (√2((N扩增1)2+ (N扩增2)2))) = (2S在*G)2/ ((2N在*G)2+ (√2N安普尔)2) = (S在*G)2/ ((N在*G)2+ 0.5*(N安普尔2)).

同样,假设外部输入噪声功率最小,则将其降低至(S在*G)2/ (0.5*(N安普尔2))

并联添加放大器的好处是提高了SNR和更低的电压噪声密度。对于并联N个放大器,放大器噪声功率降低N,折合到输入端的电压噪声密度降低√N。换句话说,放大器数量每增加一倍,放大器噪声功率就会降低2,放大器的输入参考电压噪声密度就会降低√2。请注意,并联放大器只能减少放大器增加的不相关噪声;它不能降低由于其他外部噪声源(例如电阻器传感器、其他信号调理元件等)引起的噪声。在上述两个并联放大器电路中,LT6020 的输入电压噪声密度从 45nV/√Hz 降低至 32nV/√Hz。

下面的电路揭示了利用 LT1028 超低 0.85nV/√Hz 噪声密度精准放大器如何降低 N 个放大器的输入噪声密度。

pYYBAGO6fBGAcp--AAFuxWqZmWQ270.png?la=en&h=300&imgver=1

并联放大器威廉希尔官方网站 可以扩展到复合放大器设计,其中两个放大器各自为电路提供独特的优势。这方面的一个例子见设计说明 241;电路如下所示。此处,两个 LT1806 用于提供一种低失真、高输出驱动电路解决方案;一个放大器提供 50 欧姆电缆驱动能力,另一个放大器提供精度。

pYYBAGO6fBSAJT6lAAC5P9LenbI919.png?la=en&h=300&imgver=1

使用并行放大器的另一个优点是降低了输出失调误差。由于失调误差不相关,随着放大器的增加,失调误差的分布将向中心值移动,因此考虑所有器件时的净值将接近典型平均值。

poYBAGO6fBWAXsCmAABKrHC4pRg633.jpg?la=en&h=300&imgver=1

计算噪声时,必须考虑电流噪声、电阻噪声(反馈电阻、源阻抗等)和外部噪声。并联使用放大器的一个后果是电流噪声增加。其他权衡包括成本和组件数量。然而,这些通常可以通过使用并联放大器威廉希尔官方网站 获得的改进性能来证明。

审核编辑:郭婷

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