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          精密運(yùn)放的零漂移和寬電源及輸入電壓范圍技術(shù)解析

          作者: 時(shí)間:2013-08-03 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          在計(jì)算、通信及消費(fèi)等常見(jiàn)的電子系統(tǒng)中,處理器/控制器、存儲(chǔ)器、電源管理IC等往往是矚目的焦點(diǎn)器件。與這些熱門(mén)器件比較而言,運(yùn)算放大器(運(yùn)放)顯得有些默默無(wú)聞。但實(shí)際上,運(yùn)算放大器幾乎是任何電子系統(tǒng)的幕后英雄,發(fā)揮著基礎(chǔ)但又不可替代的作用。

          運(yùn)算放大器應(yīng)用廣泛,其產(chǎn)品類(lèi)別眾多,從功能/特性來(lái)看,運(yùn)算放大器一般包括高速放大器、精密放大器及專(zhuān)用放大器等不同類(lèi)型。精密運(yùn)放(帶寬低于50 MHz,失調(diào)電壓=1000 μV )是其中具有廣泛應(yīng)用、工程師接觸最多的一個(gè)重要類(lèi)別。運(yùn)放的分類(lèi)沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),一般地,根據(jù)不同應(yīng)用對(duì)運(yùn)放不同參數(shù)的要求,我們可以大致分為低失調(diào)電壓運(yùn)放、低偏置電流運(yùn)放、低噪聲運(yùn)放等。

          運(yùn)放是信號(hào)調(diào)理的關(guān)鍵部件,可以實(shí)現(xiàn)放大、緩沖、驅(qū)動(dòng)、電平移位、有源濾波、I-V轉(zhuǎn)換、V-I轉(zhuǎn)換以及各種數(shù)學(xué)運(yùn)算功能(加、減、積分、微分、乘除法等)。在不同的應(yīng)用中,對(duì)功能的不同要求已經(jīng)催生出許多不同類(lèi)別的專(zhuān)用放大器,從而實(shí)現(xiàn)更高的性能,并簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)流程。這些高性能器件包括儀表放大器、電流檢測(cè)放大器、差分放大器和可編程增益放大器。

          對(duì)于精密放大器,多年來(lái)穩(wěn)定前行并有望在2012年迅猛發(fā)展的兩大關(guān)鍵趨勢(shì)是:零漂移特性和更寬的電源電壓及輸入電壓范圍,本文將重點(diǎn)解析這兩個(gè)重要技術(shù)特性及其相關(guān)的產(chǎn)品和應(yīng)用。


          在許多工業(yè)儀表和醫(yī)療應(yīng)用中,傳感器產(chǎn)生的輸出電壓通常很低,需要通過(guò)具有高增益和精密直流性能的信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行調(diào)理。然而,運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓、漂移和1/f噪聲會(huì)引入誤差,從而影響直流或低頻、低電平電壓的測(cè)量。因此,必須最大程度地降低運(yùn)放的失調(diào)電壓和漂移,消除1/f噪聲,以實(shí)現(xiàn)最佳的信號(hào)調(diào)理。

          很好地實(shí)現(xiàn)了這些要求,能動(dòng)態(tài)地校正失調(diào)電壓使得失調(diào)電壓大大降低,并重整噪聲密度使1/f噪聲消失。最初用于預(yù)期設(shè)計(jì)壽命10年以上的系統(tǒng),以及使用高閉環(huán)增益(>100)和低頻(100 Hz)、低幅度信號(hào)的信號(hào)鏈,適用于包括精密電子秤、醫(yī)療儀器、精密計(jì)量設(shè)備和紅外/電橋/熱電堆傳感器接口的應(yīng)用。另外,與標(biāo)準(zhǔn)放大器相比,零漂移放大器具有將近零的失調(diào)電壓和更高的開(kāi)環(huán)增益,較高的電源抑制比和共模抑制比。

          1. 幾種經(jīng)典零漂移放大器

          零漂移放大器通常采用兩種技術(shù)——自穩(wěn)零或斬波,這兩種技術(shù)各有其優(yōu)缺點(diǎn),適合不同應(yīng)用。自穩(wěn)零采用采樣保持技術(shù),由于噪聲折回基帶,其帶內(nèi)電壓噪聲較大;斬波使用信號(hào)調(diào)制和解調(diào)技術(shù),具有更低的基帶噪聲,但在斬波頻率及諧波處產(chǎn)生噪聲頻譜。的零溫漂運(yùn)放有三代產(chǎn)品,采用的技術(shù)分別是:自穩(wěn)零,自穩(wěn)零+斬波,斬波+自動(dòng)校正反饋環(huán)路,詳見(jiàn)下表:

          器件型號(hào)

          第x代

          架構(gòu)

          單通道

          雙通道

          四通道

          ADA4051-1

          ADA4051-2

          3rd

          斬波 + ACFB

          ADA4528-1

          ADA4528-2

          3rd

          斬波 + ACFB

          AD8628

          AD8629

          AD8630

          2nd

          自穩(wěn)零 + 斬波

          AD8538

          AD8539

          2nd

          自穩(wěn)零 + 斬波

          AD8638

          AD8639

          2nd

          自穩(wěn)零 + 斬波

          AD8551

          AD8552

          AD8554

          1st

          自穩(wěn)零

          AD8571

          AD8572

          AD8574

          1st

          自穩(wěn)零

          表:零溫漂運(yùn)放產(chǎn)品。

          公司推出的ADA4528-1采用斬波+自動(dòng)校正反饋環(huán)路的技術(shù),將斬波頻率及諧波處的噪聲頻譜大大降低。ADA4528-1是迄今業(yè)界最低噪聲、最低失調(diào)漂移的精密零漂移運(yùn)算放大器,具有軌到軌輸入輸出擺幅能力。ADA4528-1提供最大2.5μV的低失調(diào)電壓以及最大0.015μV/?C的業(yè)界最低失調(diào)電壓漂移,開(kāi)環(huán)增益為140dB,共模抑制比為135 dB,電源抑制比為130 dB。ADA4528-1適合供電電壓范圍在2.2V至5V的儀器儀表和醫(yī)療應(yīng)用,如熱電偶/熱電堆、稱(chēng)重傳感器和橋式傳感器、精密儀器、電子秤、醫(yī)療儀器及手持式測(cè)試設(shè)備等。

          除了普通的運(yùn)放采用自穩(wěn)零的技術(shù),專(zhuān)用放大器產(chǎn)品也采用了該技術(shù)以獲得性能的提升。AD8230是采用自穩(wěn)零技術(shù)的一款低漂移精密儀表放大器。自穩(wěn)零特性使失調(diào)電壓漂移降至50 nV/?C以下,在?40℃至+125℃擴(kuò)展工業(yè)溫度范圍內(nèi)也能保持高性能。此外,AD8230還具有高共模抑制比——最低值為110dB,能夠抑制傳感器距儀表較遠(yuǎn)的測(cè)量中的線(xiàn)路噪聲;16V軌到軌共模輸入范圍則可以適應(yīng)地電位變化幅度達(dá)數(shù)伏的噪聲環(huán)境。AD8230的低頻噪聲保持在最小值3 μV峰峰值,因而成為要求極高直流精密應(yīng)用的絕佳選擇。

          AD8217/8/9是采用零漂技術(shù)的電流檢測(cè)放大器,在-40℃至+125℃整個(gè)工作溫度范圍和共模電壓范圍內(nèi),失調(diào)漂移典型值為±100nV/℃。器件中還特別進(jìn)行了設(shè)計(jì),使得無(wú)論是否存在共模電壓,在整個(gè)輸入差分電壓范圍內(nèi)該器件都能保持線(xiàn)性輸出,而輸入失調(diào)電壓典型值為±50 μV。

          1. 典型應(yīng)用解析

          圖2所示電路是一個(gè)精密電子秤信號(hào)調(diào)理系統(tǒng),它使用一個(gè)低功耗緩沖式24位Σ-Δ型ADC AD7791和兩個(gè)外部零漂移放大器ADA4528-1。該解決方案支持單電源供電,可提供高直流增益。

          對(duì)于滿(mǎn)量程輸出為10mV的稱(chēng)重傳感器,該電路提供15.3位的無(wú)噪聲碼分辨率。利用本電路可以非常靈活地設(shè)計(jì)定制低電平信號(hào)調(diào)理前端,用戶(hù)可以輕松優(yōu)化傳感器-放大器-轉(zhuǎn)換器組合電路的整體傳遞函數(shù)。來(lái)自稱(chēng)重傳感器的低電平幅度信號(hào)由兩個(gè)零漂移放大器ADA4528-1放大,放大器連續(xù)自行校正任何直流誤差,盡可能保持精確。除了低失調(diào)電壓和漂移外,ADA4528-1也沒(méi)有1/f噪聲,這一重要特性有助于電子秤在直流或低頻時(shí)進(jìn)行精確測(cè)量。

          基于ADA4528-1的精密電子秤信號(hào)調(diào)理電路

          圖2:基于ADA4528-1的精密電子秤信號(hào)調(diào)理電路。

          寬電源及輸入電壓范圍放大器

          相對(duì)于任何其它系統(tǒng)器件,更寬電源和輸入電壓范圍是精密運(yùn)算放大器的另一項(xiàng)關(guān)鍵要求,也是對(duì)運(yùn)算放大器的一個(gè)更大挑戰(zhàn)。在電力系統(tǒng)、汽車(chē)或大型電池組的系統(tǒng)中,放大器的輸入可能連接到幾百伏高壓,同時(shí)必須仍然在微伏范圍內(nèi)放大信號(hào)。此外,越來(lái)越多的系統(tǒng)采用更低的電壓供電,但輸入信號(hào)通常并不受系統(tǒng)供電電壓的限制,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)供電電壓

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