精密運放的零漂移和寬電源及輸入電壓范圍技術(shù)解析

在計算、通信及消費等常見的電子系統(tǒng)中，處理器/控制器、存儲器、電源管理IC等往往是矚目的焦點器件。與這些熱門器件比較而言，運算放大器(運放)顯得有些默默無聞。但實際上，運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。

運算放大器應(yīng)用廣泛，其產(chǎn)品類別眾多，從功能/特性來看，運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重要類別。運放的分類沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，一般地，根據(jù)不同應(yīng)用對運放不同參數(shù)的要求，我們可以大致分為低失調(diào)電壓運放、低偏置電流運放、低噪聲運放等。

運放是信號調(diào)理的關(guān)鍵部件，可以實現(xiàn)放大、緩沖、驅(qū)動、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)運算功能（加、減、積分、微分、乘除法等）。在不同的應(yīng)用中，對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，從而實現(xiàn)更高的性能，并簡化了設(shè)計流程。這些高性能器件包括儀表放大器、電流檢測放大器、差分放大器和可編程增益放大器。

對于精密放大器，多年來穩(wěn)定前行并有望在2012年迅猛發(fā)展的兩大關(guān)鍵趨勢是：零漂移特性和更寬的電源電壓及輸入電壓范圍，本文將重點解析這兩個重要技術(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，需要通過具有高增益和精密直流性能的信號調(diào)理電路進行調(diào)理。然而，運算放大器的失調(diào)電壓、漂移和1/f噪聲會引入誤差，從而影響直流或低頻、低電平電壓的測量。因此，必須最大程度地降低運放的失調(diào)電壓和漂移，消除1/f噪聲，以實現(xiàn)最佳的信號調(diào)理。

零漂移放大器很好地實現(xiàn)了這些要求，能動態(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)、低幅度信號的信號鏈，適用于包括精密電子秤、醫(yī)療儀器、精密計量設(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，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+自動校正反饋環(huán)路，詳見下表：

器件型號

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零溫漂運放產(chǎn)品。

ADI公司推出的ADA4528-1采用斬波+自動校正反饋環(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)療儀器及手持式測試設(shè)備等。

除了普通的運放采用自穩(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的測量中的線路噪聲；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)的電流檢測放大器，在-40℃至+125℃整個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/℃。器件中還特別進行了設(shè)計，使得無論是否存在共模電壓，在整個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所示電路是一個精密電子秤信號調(diào)理系統(tǒng)，它使用一個低功耗緩沖式24位Σ-Δ型ADC AD7791和兩個外部零漂移放大器ADA4528-1。該解決方案支持單電源供電，可提供高直流增益。

對于滿量程輸出為10mV的稱重傳感器，該電路提供15.3位的無噪聲碼分辨率。利用本電路可以非常靈活地設(shè)計定制低電平信號調(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)。來自稱重傳感器的低電平幅度信號由兩個零漂移放大器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也沒有1/f噪聲，這一重要特性有助于電子秤在直流或低頻時進行精確測量。

圖2：基于ADA4528-1的精密電子秤信號調(diào)理電路。

寬電源及輸入電壓范圍放大器

相對于任何其它系統(tǒng)器件，更寬電源和輸入電壓范圍是精密運算放大器的另一項關(guān)鍵要求，也是對運算放大器的一個更大挑戰(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，同時必須仍然在微伏范圍內(nèi)放大信號。此外，越來越多的系統(tǒng)采用更低的電壓供電，但輸入信號通常并不受系統(tǒng)供電電壓的限制，遠遠超過供電電壓的系統(tǒng)的情況并不少見，這對系統(tǒng)設(shè)計帶來挑戰(zhàn)。這些放大器需要具有更寬的電壓范圍、更穩(wěn)定的性能，需要集成輸入過壓保護、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防閂鎖的特性，以改進系統(tǒng)性能、降低成本、提高魯棒性，同時簡化系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜度。下面結(jié)合ADI近年來推出的幾款精密運放解析寬電源及輸入電壓范圍運放特點及應(yīng)用案例。

ADA4096-2是一款寬電壓范圍的運算放大器，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以上過壓保護的精密運放，具有獨特的輸入級，擁有過壓保護輸入和二極管，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的輸入范圍可以達到供電電壓的三倍），在單電源供電下可以輸入負(fù)信號，使用非常方便。AD8276非常適合用于過程控制、電機控制和電源管理應(yīng)用中魯棒的電壓和電流感應(yīng)，該產(chǎn)品至推出開始其單通道低于1美元的前所未有的價格更突顯了性價比優(yōu)勢。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)換及輸入過壓保護等功能。AD8475在采用5 V單電源供電時，器件能夠耐受最高±15 V的工業(yè)輸入電壓。它提供一個完整的接口，使工業(yè)電平信號能夠直接兼容低壓、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，不同點是AD8476增益為1，非常適合用作驅(qū)動低功耗、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)動電路對工業(yè)信號進行衰減、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)換及輸入過壓保護等功能，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：單端轉(zhuǎn)差分ADC驅(qū)動器原理示意圖。

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、特性豐富的精密運算放大器，無論是低壓、高壓或是微功耗還是零漂移儀表放大器，數(shù)十個系列產(chǎn)品總能找到符合特定信號放大需求的最佳型號。

所有的模擬應(yīng)用電路設(shè)計工程師都希望擁有一款真正理想的放大器——具有無限大開環(huán)增益、無限輸入阻抗、零偏置電流、零失調(diào)電壓、無噪聲，事實上這也是所有模擬集成電路設(shè)計工程師的終極追求。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)域已獲得了長足的進步，但市場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”。

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