仪表放大器的失调电压和噪声参数分析与仿真
通过上一篇《仪表放大器的特性与工作电压配置方法》，介绍了仪表放大器内部两级放大电路工作方式，这种结构导致仪表放大器的失调电压、噪声参数与通用放大器的失调电压、噪声参数的评估方式不同，本篇将对此进行分析与仿真。
1 仪表放大器失调电压分析由于仪表放大器内部的两级放大器都存在失调电压，如图3.1中amp1，amp2所在的第一级放大器的失调电压，如果折算到输出端，需要乘以电路增益。amp3所在的第二级放大器的失调电压，如果折算到输入端，需要除以电路增益。
图3.1 仪表放大器结构
上述的第一级放大器的失调电压称为输入失调电压（input offset voltage, vosi），第二级放大器的失调电压称为输出失调电压（output offset voltage, voso）。总输出失调电压total vos_rto为式3-8。
其中，g为增益。**这也是仪表放大器在切换增益后，线性误差发生变化的原因。**如图3.10，以ad8421arz为例，在25℃环境中，使用±15v供电，输入失调电压最大值为60μv，输出失调电压最大值为350μv。在增益为1倍的电路中，ad8421arz输出总失调电压最大值为410uv。在增益为100倍的电路中，总输出失调电压最大值6.35mv。
3.10 ad8421失调电压参数
如图3.11（a），使用ltspice设计ad8421在增益为1倍，供电电源为±15v。如图3.11（b），输出总失调电压的瞬态分析结果为412.292μv，等同于理论计算值。
图3.11 ad8421增益1倍电路的总输出失调电压瞬态分析结果
如图3.12（a），使用ltspice设计ad8421为±15v供电，增益为100倍的电路。输出总失调电压瞬态分析结果，如图3.12（b）,为6.353mv，等同于理论计算值。
3.12 ad8421增益为100倍电路的总输出失调电压瞬态分析结果
2仪表放大器噪声分析仪表放大器的电压噪声有两个来源。一是输入端串联的噪声源eni，如通用放大器一样。通过电路增益折算到输出端。二是仪表放大器输出端串联的噪声电压源eno,除以电路增益折算到输入端。如图3.13，在25℃环境中，±15v电源供电时，1khz处ad8421输入电压噪声密度eni最大值为3.2 nv/√hz,输出电压噪声密度eno最大值为60nv/√hz。
3.13 ad8421噪声参数
仪表放大器输入端的电流噪声源也有两个，分别是in+和in–。尽管两个电流噪声近似相等。如图3.13，25℃环境中，±15v电源供电时，在1khz处ad8421电流噪声谱密度in最大值为0.2 pa/√hz。但in+和in–不相关，必须以均方根的方式求和。in+流过信号源电阻rs的一半，in–流过信号源电阻rs另一半。产生的两个噪声电压幅度各为inrs的一半。这两个噪声源通过电路增益折算到输出端。仪表放大器的增益电阻也会产生一个噪声源，通过电路增益折算的输出。由此仪表放大器总输出噪声的rms值，为式3-9。 其中，bw为1.57倍的信号带宽。如图3.14（a），使用ad8421配置为1倍增益（rg取消）的电路，信号源内阻设置为0，在0.1~10khz频率内，输出噪声电压rms最大值约为:
图3.14 ad8421增益为1倍的电路噪声分析结果
噪声分析结果如图3.14（b），ad8421的总输出噪声rms值为5.59μv小于7.52μv。如图3.15（a），电路配置为100倍增益（rg为100ω），信号源内阻设置为0，在0.1~10khz频率内，输出噪声电压rms最大值近似为：
噪声分析结果如图3.15（b），ad8421总输出噪声为34.315μv，小于43.76μv。
图3.15 ad8421增益为100倍电路的噪声分析
综上，在针对仪表放大器的失调电压、噪声参数分析时，根据内部两级放大器的失调电压，噪声以及电路配置的增益折算到输入端、或者输出端进行总失调电压、总噪声的评估。
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1 仪表放大器失调电压分析由于仪表放大器内部的两级放大器都存在失调电压，如图3.1中amp1，amp2所在的第一级放大器的失调电压，如果折算到输出端，需要乘以电路增益。amp3所在的第二级放大器的失调电压，如果折算到输入端，需要除以电路增益。
图3.1 仪表放大器结构
上述的第一级放大器的失调电压称为输入失调电压（input offset voltage, vosi），第二级放大器的失调电压称为输出失调电压（output offset voltage, voso）。总输出失调电压total vos_rto为式3-8。
其中，g为增益。**这也是仪表放大器在切换增益后，线性误差发生变化的原因。**如图3.10，以ad8421arz为例，在25℃环境中，使用±15v供电，输入失调电压最大值为60μv，输出失调电压最大值为350μv。在增益为1倍的电路中，ad8421arz输出总失调电压最大值为410uv。在增益为100倍的电路中，总输出失调电压最大值6.35mv。
3.10 ad8421失调电压参数
如图3.11（a），使用ltspice设计ad8421在增益为1倍，供电电源为±15v。如图3.11（b），输出总失调电压的瞬态分析结果为412.292μv，等同于理论计算值。
图3.11 ad8421增益1倍电路的总输出失调电压瞬态分析结果
如图3.12（a），使用ltspice设计ad8421为±15v供电，增益为100倍的电路。输出总失调电压瞬态分析结果，如图3.12（b）,为6.353mv，等同于理论计算值。
3.12 ad8421增益为100倍电路的总输出失调电压瞬态分析结果
2仪表放大器噪声分析仪表放大器的电压噪声有两个来源。一是输入端串联的噪声源eni，如通用放大器一样。通过电路增益折算到输出端。二是仪表放大器输出端串联的噪声电压源eno,除以电路增益折算到输入端。如图3.13，在25℃环境中，±15v电源供电时，1khz处ad8421输入电压噪声密度eni最大值为3.2 nv/√hz,输出电压噪声密度eno最大值为60nv/√hz。
3.13 ad8421噪声参数
仪表放大器输入端的电流噪声源也有两个，分别是in+和in–。尽管两个电流噪声近似相等。如图3.13，25℃环境中，±15v电源供电时，在1khz处ad8421电流噪声谱密度in最大值为0.2 pa/√hz。但in+和in–不相关，必须以均方根的方式求和。in+流过信号源电阻rs的一半，in–流过信号源电阻rs另一半。产生的两个噪声电压幅度各为inrs的一半。这两个噪声源通过电路增益折算到输出端。仪表放大器的增益电阻也会产生一个噪声源，通过电路增益折算的输出。由此仪表放大器总输出噪声的rms值，为式3-9。 其中，bw为1.57倍的信号带宽。如图3.14（a），使用ad8421配置为1倍增益（rg取消）的电路，信号源内阻设置为0，在0.1~10khz频率内，输出噪声电压rms最大值约为:
图3.14 ad8421增益为1倍的电路噪声分析结果
噪声分析结果如图3.14（b），ad8421的总输出噪声rms值为5.59μv小于7.52μv。如图3.15（a），电路配置为100倍增益（rg为100ω），信号源内阻设置为0，在0.1~10khz频率内，输出噪声电压rms最大值近似为：
噪声分析结果如图3.15（b），ad8421总输出噪声为34.315μv，小于43.76μv。
图3.15 ad8421增益为100倍电路的噪声分析
综上，在针对仪表放大器的失调电压、噪声参数分析时，根据内部两级放大器的失调电压，噪声以及电路配置的增益折算到输入端、或者输出端进行总失调电压、总噪声的评估。
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