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

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、精密放大器及專用放大器等不同類型。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)重要類別。運(yùn)放的分類沒(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)催生出許多不同類別的專用放大器，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。

零漂移放大器
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。

零漂移放大器很好地實(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。零漂移放大器最初用于預(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。

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。ADI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

3^rd

斬波 + ACFB

ADA4528-1

ADA4528-2

3r^d

斬波 + ACFB

AD8628

AD8629

AD8630

2^nd

自穩(wěn)零 + 斬波

AD8538

AD8539

2^nd

自穩(wěn)零 + 斬波

AD8638

AD8639

2^nd

自穩(wěn)零 + 斬波

AD8551

AD8552

AD8554

1^st

自穩(wěn)零

AD8571

AD8572

AD8574

1^st

自穩(wěn)零

表：ADI零溫漂運(yùn)放產(chǎn)品。

ADI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)該器件都能保持線性輸出，而輸入失調(diào)電壓典型值為±50 μV。

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)于滿量程輸出為10mV的稱重傳感器，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。

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)供電電壓的系統(tǒng)的情況并不少見(jiàn)，這對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)挑戰(zhàn)。這些放大器需要具有更寬的電壓范圍、更穩(wěn)定的性能，需要集成輸入過(guò)壓保護(hù)、片內(nèi)電磁干擾濾波、更高的靜電放電抗擾度特性，以及更高的上電和掉電操作時(shí)防閂鎖的特性，以改進(jìn)系統(tǒng)性能、降低成本、提高魯棒性，同時(shí)簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。下面結(jié)合ADI近年來(lái)推出的幾款精密運(yùn)放解析寬電源及輸入電壓范圍運(yùn)放特點(diǎn)及應(yīng)用案例。

ADA4096-2是一款寬電壓范圍的運(yùn)算放大器，具有軌到軌輸入/輸出范圍，工作電源范圍為3 V至30 V，功耗很低，因而非常適合監(jiān)控電池使用情況和控制電池充電。除了寬輸入范圍外，ADA4096-2是業(yè)界首款具有±30V以上過(guò)壓保護(hù)的精密運(yùn)放，具有獨(dú)特的輸入級(jí)，擁有過(guò)壓保護(hù)輸入和二極管，允許輸入電壓高于或低于供電軌32 V，而不會(huì)發(fā)生相位反轉(zhuǎn)或閂鎖，非常適合魯棒的工業(yè)應(yīng)用。

AD8276可采用2.0V至36V的單電源供電，輸入范圍很寬（輸入引腳端的最大電壓為-Vs~40V，最小電壓為+Vs~-40V，幾乎是供電電壓的兩倍，而AD8278/9的輸入范圍可以達(dá)到供電電壓的三倍），在單電源供電下可以輸入負(fù)信號(hào)，使用非常方便。AD8276非常適合用于過(guò)程控制、電機(jī)控制和電源管理應(yīng)用中魯棒的電壓和電流感應(yīng)，該產(chǎn)品至推出開(kāi)始其單通道低于1美元的前所未有的價(jià)格更突顯了性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。另外，AD8276的最大靜態(tài)電源電流為200uA，非常適合電池供電的便攜式系統(tǒng)應(yīng)用。

AD8475是ADI公司去年推出的一款全差分衰減放大器，集成精密增益電阻，可提供精密衰減（0.4或0.8倍）、共模電平轉(zhuǎn)換、單端差分轉(zhuǎn)換及輸入過(guò)壓保護(hù)等功能。AD8475在采用5 V單電源供電時(shí)，器件能夠耐受最高±15 V的工業(yè)輸入電壓。它提供一個(gè)完整的接口，使工業(yè)電平信號(hào)能夠直接兼容低壓、高性能16位或18位單電源逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的差分輸入范圍。

AD8476也是一款全差分精密放大器，結(jié)構(gòu)與AD8475類似，不同點(diǎn)是AD8476增益為1，非常適合用作驅(qū)動(dòng)低功耗、高性能ADC的單端轉(zhuǎn)差分或差分轉(zhuǎn)差分放大器。

標(biāo)準(zhǔn)單端工業(yè)信號(hào)電平（±5 V、±10 V或0 V至+10 V）與現(xiàn)代高性能16位或18位單電源SAR型ADC的差分輸入范圍并不直接兼容，需要使用適當(dāng)?shù)慕涌隍?qū)動(dòng)電路對(duì)工業(yè)信號(hào)進(jìn)行衰減、電平轉(zhuǎn)換和差分轉(zhuǎn)換，使其具有與ADC輸入要求相匹配的正確幅度和共模電壓。

圖3所示的電路實(shí)現(xiàn)了上述功能。AD8475可提供精密衰減（0.4倍或0.8倍）、共模電平轉(zhuǎn)換、單端差分轉(zhuǎn)換及輸入過(guò)壓保護(hù)等功能，這些特性很好地滿足了該電路的功能特性需求（注意，這里AD8475采用了5V供電）。

圖3：?jiǎn)味宿D(zhuǎn)差分ADC驅(qū)動(dòng)器原理示意圖。

本文小結(jié)：

由于篇幅的限制，本文僅給出了部分代表性的產(chǎn)品。作為全球最大的放大器芯片提供商，ADI提供了最全面、特性豐富的精密運(yùn)算放大器，無(wú)論是低壓、高壓或是微功耗還是零漂移儀表放大器，數(shù)十個(gè)系列產(chǎn)品總能找到符合特定信號(hào)放大需求的最佳型號(hào)。

所有的模擬應(yīng)用電路設(shè)計(jì)工程師都希望擁有一款真正理想的放大器——具有無(wú)限大開(kāi)環(huán)增益、無(wú)限輸入阻抗、零偏置電流、零失調(diào)電壓、無(wú)噪聲，事實(shí)上這也是所有模擬集成電路設(shè)計(jì)工程師的終極追求。盡管以ADI為代表的全球領(lǐng)先模擬半導(dǎo)體技術(shù)提供商在這些前沿技術(shù)領(lǐng)域已獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但市場(chǎng)和客戶期望的不斷變化導(dǎo)致新挑戰(zhàn)層出不窮。在零漂移、寬電源及輸入電壓范圍等關(guān)鍵的技術(shù)特性上還有很大的探索空間，ADI將持續(xù)為業(yè)界推出具有領(lǐng)先特性的精密運(yùn)算放大器產(chǎn)品，讓放大器扮演更加積極、關(guān)鍵的電子系統(tǒng) “幕后英雄”。

..............................................

與非深度解讀系列:

半導(dǎo)體公司“大學(xué)計(jì)劃”的追問(wèn)和真相

大環(huán)境的不景氣是就業(yè)環(huán)境惡化的元兇，但是也讓我們不禁追問(wèn)半導(dǎo)體公司的大學(xué)計(jì)劃對(duì)于學(xué)子們的真正意義。廠商們的大學(xué)計(jì)劃都在做些什么？那么多的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室有得到充分利用嗎？大學(xué)計(jì)劃的直接體驗(yàn)者--老師和學(xué)生們是否真正從中受益…….【專欄作者：高揚(yáng)】

本土IC公司調(diào)查筆記

全球經(jīng)濟(jì)不景氣的大環(huán)境下一些本土IC公司的創(chuàng)新能力、管理能力、抗風(fēng)險(xiǎn)能力、盈利能力，甚至公司創(chuàng)立的動(dòng)機(jī)都受到一些質(zhì)疑。一方面官方的消息總是告訴我們中國(guó)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步；而街巷小道中又不絕流傳多少本土IC公司倒閉，多少公司靠欺騙，根本沒(méi)有核心競(jìng)爭(zhēng)力….真相只有一個(gè)，也許會(huì)隨《本土IC公司調(diào)查筆記》慢慢開(kāi)啟…【專欄作者：岳浩】

電子屌絲的技術(shù)人生系列

在這個(gè)系列里，每個(gè)故事都會(huì)向你展示一個(gè)普通工程師的經(jīng)歷，他們的青蔥歲月和技術(shù)年華，和我們每個(gè)人的的生活都有交集。對(duì)自己、對(duì)公司、對(duì)產(chǎn)業(yè)、對(duì)現(xiàn)在、對(duì)未來(lái)、對(duì)技術(shù)、對(duì)市場(chǎng)、對(duì)產(chǎn)品、對(duì)管理的看法，以及他們的經(jīng)歷或正在經(jīng)歷的事情，我們可以看到自己的影子，也看清未來(lái)的樣子……【專欄作者：任亞運(yùn)】

細(xì)說(shuō)電子分銷江湖的那些事

對(duì)于從事電子分銷行業(yè)的同仁們來(lái)說(shuō)這是一個(gè)最壞的年代，也是一個(gè)最好的年代，我們即面臨國(guó)際分銷巨頭在管理、資金、貨源等方面對(duì)我們?cè)斐傻臎_擊，又迎來(lái)本土集成電路的崛起，個(gè)性化服務(wù)盛行的機(jī)遇，通過(guò)這個(gè)系列，我想以“第一現(xiàn)場(chǎng)”的經(jīng)歷帶大家一起了解國(guó)內(nèi)集成電路分銷的那些年、那些事，以及哪些感慨…..【專欄作者：張立恒】