如何在熱電堆應(yīng)用中實現(xiàn)微電壓級精度

熱電堆是有用的非接觸式傳感器，不僅可以測量溫度，還可以檢測特定氣體。由于熱電堆可能具有相對較高的串聯(lián)阻抗，因此它們對電路設(shè)計人員提出了許多挑戰(zhàn)，他們試圖在寬溫度范圍內(nèi)獲得絕對精度，同時滿足所需的最低分辨率。

熱電堆的低輸出電壓（從數(shù)百微伏到幾毫伏）需要高增益配置，這使得低失調(diào)和溫度漂移非常重要。這需要高精度運算放大器 (op amps) 具有低或無 1/f 噪聲、低輸入偏置電流 (IB) 和隨時間推移非常低的偏移偏移 - 例如零漂移放大器。

在本文中，我將描述將零漂移放大器連接到此類傳感器的最佳實踐，包括如何降低輸出噪聲以提高分辨率，并解釋為什么某些電路需要匹配輸入阻抗。這是討論如何使用基于 TI 最新專有互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體精密工藝技術(shù)構(gòu)建的運算放大器提高系統(tǒng)精度和效率的四部分系列文章的第三部分。

由于大多數(shù)熱電堆應(yīng)用需要從幾赫茲到 300 Hz 的低頻響應(yīng)，因此很容易使用微功耗低增益帶寬 (350 kHz) 零漂移運算放大器，例如OPA333。然而，由于放大器的寬帶噪聲與其靜態(tài)電流 (I Q )成反比，因此像 OPA333 這樣的微功率器件自然具有比其更高帶寬（更高 I Q）替代品更高的噪聲頻譜密度，這從根本上限制了其分辨率熱電堆應(yīng)用。

圖 1 是這樣一種熱電堆檢測器的示例，該檢測器使用 G = 1,001 的 OPA333，熱電堆電壓 (Vtp) 為 100μV。在本應(yīng)用中，705μVrms 總輸出電壓噪聲可預(yù)見地由 OPA333 的 55nV/√Hz 寬帶噪聲頻譜密度支配，而不是由內(nèi)部 10kΩ 熱電堆電阻 (Rtp) 的熱噪聲支配，并導(dǎo)致最小信噪比 (SNR) 僅為 43 dB，20×log(100 mV/705 μV)。此外，為了將 OPA333 的輸出電壓保持在其線性范圍內(nèi)（如數(shù)據(jù)表中在開環(huán)增益條件下定義的那樣），單電源應(yīng)用可能需要至少 100mV 的參考電壓 (Vref)。

圖 1：G = 1,001 的熱電堆應(yīng)用中的 OPA333

（單擊圖像查看高分辨率版本）

對于大多數(shù)熱電堆應(yīng)用，最好選擇運算放大器，以使 Rtp 的熱噪聲（而不是運算放大器的輸入寬帶噪聲）主導(dǎo)總噪聲。一個這樣的零漂移運算放大器是 OPA189，它具有 5.2 nV/√Hz 的低寬帶噪聲，遠(yuǎn)低于 12.7 nV/√Hz、√(4kTR)、內(nèi)部 10kΩ 熱電堆電阻的熱噪聲 - 這導(dǎo)致總輸入13.7 nV/√Hz 的噪聲密度明顯受 Rtp 熱噪聲支配。

圖 2 顯示了在雙電源應(yīng)用中使用 OPA189 的熱電堆電路示意圖。內(nèi)部 10-kΩ 熱電堆電阻和外部 100-nF 電容器 (Ctp) 形成一個低通噪聲濾波器，其截止頻率為 -3 dB：159.2Hz，fc=1/(2×π×10kΩ ×100nF) –該濾波器在高熱電堆 Rtp 的情況下尤為重要，其中 Ctp 可用于優(yōu)化傳感器噪聲性能及其響應(yīng)時間。

在圖 2 中，OPA189 放大器的增益同樣設(shè)置為 1,001，其 -3 dB 截止頻率為 144.8 Hz，通過選擇 RF||CF 反饋來設(shè)置：fc=1/(2×π×220kΩ×5nF) . 所有這些都導(dǎo)致輸出總噪聲大大提高，達(dá)到 165.6 uVrms。然而，OPA189 具有更高速度的內(nèi)部偏移校正電路，其中輸入端子之間的大阻抗失配導(dǎo)致 IB 斬波尖峰被轉(zhuǎn)換為額外的電壓偏移誤差。這會引起 52uV 的輸入失調(diào)，該失調(diào)會被放大到輸出并導(dǎo)致較大的輸出誤差。

圖 2：G = 1,001 的熱電堆應(yīng)用中的 OPA189

（單擊圖像查看 高分辨率版本）

在平衡輸入阻抗的情況下，IB 斬波尖峰相互抵消。因此，可以通過在反相輸入端增加一個 Rtp_match 10-kΩ 電阻來有效消除這種偏移誤差。話雖如此，添加一個匹配電阻器自然會導(dǎo)致總輸出電壓噪聲增加大約 √2 倍（達(dá)到 254.9 μVrms）?？赡苓€需要 Cin_match 等于 OPA189 內(nèi)部輸入電容 (Cin_diff+Cin_cm)，以保持熱電堆解決方案的良好穩(wěn)定性，如圖 3 所示。

圖 3：具有匹配輸入阻抗的熱電堆應(yīng)用中的 OPA189

（單擊圖像查看 高分辨率版本）

因此，為了獲得熱電堆應(yīng)用的最佳解決方案，請考慮使用低噪聲斬波放大器，例如 OPA387，它不僅具有極低的最大輸入電壓偏移和偏移漂移（分別為 1 μV 和 0.012 μV/C）但在 100 Hz 時的典型電壓噪聲頻譜密度為 8.5 nV/√Hz，在 10 Hz 時電流噪聲極低，僅為 70 fA/√Hz（在 10 kΩ 熱電堆上僅貢獻(xiàn) 0.7 nV/√Hz）。該運算放大器在輸入阻抗不匹配時也更加寬容。因此，在現(xiàn)在熟悉的熱電堆應(yīng)用電路中使用 OPA387 可降低 (190.7 μVrms) 總輸出噪聲，并且（除了放大器固有的微小偏移）輸出誤差可忽略不計 - 請參見圖 4。

圖 4：G = 1,001 的熱電堆應(yīng)用中的 OPA387

（單擊圖像查看 高分辨率版本）

圖 5 顯示了 G = 1,001 的熱電堆電路的完整實現(xiàn)，包括一個 Vref 緩沖器，可確保 OPA387 輸出級在單電源上線性運行，以及一個具有截止頻率的附加低通輸出濾波器 (Ro||Co) 159.2赫茲。該濾波器進(jìn)一步將總集成輸出噪聲降至 154 μVrms，從而使解決方案的整體分辨率更高；對于 100 μV 的 Vtp，最小輸出 SNR 為 56 dB，對于 3.1 mV 的 Vtp，最大 SNR 為 86 dB。

圖 5：具有參考電路和輸出濾波的 OPA387 熱電堆應(yīng)用

（單擊圖像查看 高分辨率版本）

您還可以使用雙電源或 LM7705 負(fù)電荷泵來驅(qū)動 OPA387 的負(fù)電源引腳，如圖 6 所示。這種方法通過允許運算放大器輸出到達(dá)系統(tǒng)地來消除對 Vref 電路的需求。圖 6 右側(cè)的圖表顯示了熱電堆電路的一階、二階和三階 AC 增益響應(yīng)，用于我目前討論的不同濾波方案。

圖 6：帶有 LM7705 負(fù)電荷泵和輸出濾波的 OPA387 熱電堆應(yīng)用

（點擊圖片查看 高分辨率版本）

結(jié)論

具有不同輸出電壓范圍或串聯(lián) Rtp 的熱電堆可能需要不同的運算放大器增益或替代濾波方案來優(yōu)化其性能。通過最大化來自探測器的信號量，您可以降低電路的增益（從而降低總輸出噪聲），從而提高熱電堆應(yīng)用的分辨率。

零漂移斬波放大器通常在熱電堆應(yīng)用中更受歡迎，因為它們的失調(diào)、失調(diào)漂移非常低并且沒有 1/f 噪聲。選擇放大器時，重要的是要選擇寬帶噪聲頻譜密度低于熱電堆 Rtp 熱噪聲的放大器。由于運算放大器的寬帶噪聲與其 I Q成反比，因此微功率放大器的噪聲高于熱電堆應(yīng)用通常所需的噪聲。因此，具有更高 I Q和更低噪聲密度的高速放大器（例如 OPA387）通常會在熱電堆應(yīng)用中提供更好的性能。