在高功能数据收集体系的规划中，人们或许很少注意到，完成功能方针的最大妨碍一般出现在模数转换器之前的信号输入通道。在进入杂乱的混合信号电路之前，小信号处理电路十分要害。
在小信号处理电路中，由放大器带来的噪声是不可避免的，事实上这将决议体系或许完成的最佳信噪比。在本文中，咱们将以称重计和温度丈量为运用实例，评论在测验运用中怎么经过高精度放大器进步丈量精度的办法。
运用实例剖析
1. 称重计运用
称重计运用在从澡堂到工厂车间的各种场合中，满量程从小于250磅到上千吨。称重计都是依据薄膜金属应变片加上精心规划的金属杆结构，这些应变片衔接成传统的电桥结构以完成最大的灵敏度。它一般可以供给1~4mV/V的满量程输出，而选用5V鼓励的最大输出信号便是20mV。
在1盎司分辨率的高功能丈量条件下，要显现多达1吨（2000磅）的分量量程，咱们将需求超越30，000个计数。为了在这个分辨率取得准确的丈量，需求一个可以供给125倍信号增益的放大器将A/D转换器的20mV的输出进步到2.5V，并且环路增益需求超越30，000，以确保满意其分辨率的线性度。
2. 温度传感器
高精度温度丈量是高分辨率数据转换器十分一般和迫切需求的另一种运用。在大多数情况下，所选用的传感器是热电偶。K型份额系数（由一片镍络合金和一片镍铝合金接合构成）为每度大约40uV，而S型（由铂铑合金和铂接合构成）的输出大约为每度10uV。在丈量规模内有必要对非线性差错进行校对十分重要，这使丈量作业进一步杂乱化。在运用热电偶时还会遇到其它电路问题，如热电偶的衔接需求维护电路等。
在整个丈量规模内，热电偶的输出一般可以到达20mV到50mV，或更高。在运用K型接点的情况下，在1，000度规模内取得0.1度分辨率的丈量精度（或者是10，000个计数），使满量程丈量等于40mV好像简练当的办法。其他差错包含运算放大器的输入漂移和0.25至0.5度的热电偶非线性差错。
3. 热电堆
热电堆（thermopile）是热电偶的一个变种，它由若干薄膜热电偶接点层组成一个传感器堆，其每个金属接线对都是由一个躲藏的“冷”边和一个暴露在入射光的“热”边组成。它可用来进行激光功率、热和火焰检测丈量。满量程输出一般不到1mV，10万分之一满量程的丈量光输出适当于不到10毫微伏。关于这种运用，找到一个低本钱、高增益、低噪声和低漂移放大器将是一个很大的应战。
影响精度的差错剖析
典型的AD转换器框图如图1所示，首要的差错影响要素包含参阅电压差错、放大器差错、传感器差错以及噪声对丈量精度的影响。了解这些差错有助于规划工程师更好地应对进步丈量精度的规划应战。
图1：典型的AD转换器框图
1. 参阅电压差错
因为参阅电压是用来与实践丈量值进行比较的，因而这个参阅电压的实践值十分重要，需求对参阅电压进行周期性校准或软件校准以批改这个根本的丈量差错。并且，精心规划的参阅电压可以用来最大极限地削减因为温度形成的漂移。在超越0℃至40℃的条件下，一个100ppm/℃的温度系数的差错或许是4，000ppm，或满量程规模的0.4%。咱们可以运用软件批改这个差错，不过它将直接下降有用规模。
2. 放大器差错
由输入放大器直接强加在输入信号上的差错会影响丈量精度。以测压力元件为例，一个20mV的满量程信号将会有5%偏移，即1mV输入偏置电压。这个输入偏置差错可以直接下降丈量精度，用满足动态规模的A/D转换器就或许运用软件消除这个差错。这个差错也有一个与温度有关的成份，称为输入偏置漂移，有必要细心考虑并进行批改。偏置电流，也称为输入漏电流，它能在高阻抗传感器或传感器管脚或者是传感器与放大器输入之间的任何阻抗上形成直接的电压偏置差错。例如，假如输入偏置电流为0.1微安，在10欧姆电阻上的电压降就将发生1微伏的差错。
3. 传感器差错
批改传感器差错或许很困难。以测压力元件为例，虽然在出产过程中进行了细心的线性校准，可是运用中不同设备之间的输出份额系数的改变仍然高达25%。在上述的称重实例中，参阅电压一般是由测压元件的鼓励发生的，发生一种份额式丈量（ratiometric measurement）办法，该办法可消除漂移差错。偏置电流与桥接电流量的比值可直接影响丈量的精度。热电偶中的阻抗、热电堆维护和补偿电路使输入漏电流变得特别重要。
4. 噪声影响
噪声有许多来历，并且一般是整个体系功能的决议性要素。来自外部的噪声愈加难以操控，包含来自邻近高速的数字逻辑电路、电源、电扇电机、电磁阀和射频EMI的耦合噪声，经过当心的接地规划、屏蔽技能和电路板布局等关于完成预期精度十分要害。挑选一个引进噪声最小、具有消除外部引进差错并具有满足增益带宽的缓冲放大器，与上述削减任何输入差错的办法相同重要。
可以依据引进的噪声巨细点评高精度放大器，在该丈量对一项特定运用很重要时，其噪声量一般是依据对不受约束带宽（宽频带）信号的丈量值来确认的，或者是在确认的带宽上得到的值。噪声标准一般是作为输入参阅噪声，它是在输出与输入短路的条件下丈量得出的值，因而彻底是因为放大器本身发生的噪声。
运用A/D转换器时，背景噪声是可用丈量精度的决议性要素。当一个器材的额外分辨率为24位时，因为噪声导致的局限性，一般转换器完成的实践精度更低。例如放大器的标准，制造商是依据噪声电平来确认他们的产品的，或者是依据极低噪声或有用位（分辨率，也称为ENOB）。事实上，有用位标准是由噪声电平RMS值计算出来的，极低噪声值则是依据峰-峰值，一般适当于计算RMS值的6.6倍之多。因而，极低噪声标准表明的是转换器的有用分辨率，在背景噪声以上LSB位仍然坚持稳定。因为这个值依据输入规模与丈量得到的噪声的比值，需求特别注意的是标准中的约束条件，例如参阅电压和输入规模或许因运用不同而异，数据手册上所许诺的与实践比值或许有适当大的差异。
放大器解决方案
咱们现已了解到许多运用需求优异功能，放大器便是一种可有用地批改本身差错的低本钱器材，一起也可以确保高增益装备的稳定性。斩波放大器是一种典型的可自批改放大器。
现在，优秀的斩波放大器可以很容易地完成几个微伏的初始偏置差错及低漂移。不过，像任何放大器规划相同，要一起完成低噪声和高增益具有适当大的应战性。如上述的称重比如，其信号增益需求坚持100，000个丈量计数的精度。这适当于至少需求1，250万的增益，最少也要142dB增益。而噪声使得在高增益电路中要完成这么高的增益愈加困难。
简言之，对这些运用来说，一个放大器的噪声水平需求与其它差错到达相同的规模。一切的半导体放大器都会有1/f噪声，也称为闪耀噪声（flicker noise），它是因为资料而发生的一种根本现象。与频率相反，在一个特定的噪声拐点以下，噪声密度将呈指数添加，并且在低频时变得有十分大。在200Hz的典型信号带宽内，一个答应咱们在20mV满量程信号时坚持18位分辨率的放大器需求有10nV/rt-Hz左右的噪声密度。很少有放大器能低本钱地以单芯片完成这种低噪声和高增益的组合特性。
要完成这样的功能水平，规划师一般可以规划混合的多放大器体系。这个体系选用一种具有高输入阻抗、输入纠错电路和第二个（或第三个）补偿放大器的输入放大器组合，以完成所需的增益。这些电路既贵重又难以完成。集中于一个参数的放大器常常在其他方面带来严峻的问题，例如JFET输入放大器便是因高输入偏置差错而著称。分立式斩波放大器电路也现已完成，但具有高杂乱性和高本钱。Cirrus Logic公司推出的CS3000系列放大器完成了杰出的噪声功能。当斩波做得很好时，特别有利于下下降频运用中的1/f噪声，CS3000电路可消除输入偏置差错，运转于适当高的时钟速率。
运用多个内部增益级和纤细最优化的补偿，CS3000系列放大器可供给优异的开环增益，以及简直2MHz的调整增益带宽。不过，这些器材为低于2kHz的信号进行了内部优化，可最大极限地削减功耗，当用于高于50V/V的增益装备时，需求进行外部补偿。值得注意的是，高开环增益可以完成两个方针：1. 传感器增益是要求取得细小的传感器信号，该信号可以被A/D转换器准确地丈量到；2. 其他的增益需求坚持动态精度。
图2是一个热电堆运用的实例。当暴露在高水平的红外辐射下时，这个器材可输出几个毫伏的满度电压。在这个电路中CS3001所供给的增益是650V/V（56dB），成果可发生大约1.5V的满度信号，有超越140dB（最小）的增益裕量以确保线性差错。这样，A/D转换器的丈量精度将可超越17位。
图2：热堆积大器实例
