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  • 以ADI方案为例说明如何选择精密运放

  • 2019-10-31 14:10 171
前端信号调理系统设计时,相较于分立式解决方案,设计人员往往更倾向于使用应用广泛的大规模高集成度数据采集 IC,以降低成本和时间并缩小尺寸和物料清单 (BOM)。不过,在高性能测试、测量和仪表系统等应用中,设计人员也可以考虑使用分立式运算放大器连接专用传感器作为关键前端组件。

功能单一的精密运算放大器属于专用器件,具有极低的电压偏移、失调漂移和输入偏置电流,并且能够实现带宽、噪声与功耗之间的性能平衡。发烧友公众号回复资料可以免费获取电子资料一份记得留邮箱地址。

对于设计人员而言,使用这些精密器件时必须克服两大设计挑战:选择最适合应用的器件,以及充分实现其潜在性能。后者需要深入了解器件操作并正确应用,以免因疏忽导致未能启用某些精密属性。


精密运算放大器的作用
设计人员之所以倾向于使用具有较低精度运算放大器的大规模 IC,主要是因为只需“校准”运算放大器的缺陷,即可确保传感器通道的性能。然而,这不仅耗费时间,而且传感器及其通道前端通常难以做到准确校准,尤其对于现场系统。只有考虑到精密运算放大器的作用,才能体会这一点的重要性。

精密运算放大器主要用于应变片、超声波压电变送器和光电探测器等传感器,用以捕获输出信号,而非加载较弱的传感器输出。然后,运算放大器将经调理的信号准确传送至模拟信号链的其余部分,最终送达模数转换器 (ADC)。此外,精密运算放大器也可用于模拟滤波器,确保相关信号不失真或发生直流偏移。

在这些应用中,运算放大器在时间、温度和电源轨方面的性能呈线性响应,具有可重复性和稳定性,这一点相当重要。此外,多数情况下可保持低噪声(传感器输出信号或其他模拟信号通常相当小),整个响应曲线较为平坦,并实现对最小过冲和瞬时振荡的快速压摆。由于许多应用都采用电池供电,因此运算放大器在活动和静态模式下应当尽量降低功耗。

功能单一的精密运算放大器由标准的运算放大器符号表示(图 1),却不能显示专用分立式器件的复杂性。


精密运算放大器的原理图符号示意图


图 1:精密运算放大器的原理图符号与标准运算放大器相同,却无法显示这类关键前端信号处理基本器件的类别、性能或参数。(图片来源:Analog Devices)

在非精密应用中,运算放大器的性能参数往往属于次级或三级考虑因素,而对于精密运算放大器而言却是优先考虑因素。其中包括噪声(通常以 µV/√Hz 或 nV/√Hz 表示)、输入补偿电压及其漂移、输入偏置电流及其漂移,以及增益、带宽和压摆率等常见参数。

输入补偿电压和输入偏置电流都值得仔细研究:

输入补偿电压指在运算放大器的两个输入端所施加的直流 (DC) 电压,以获得恒定的零电压输出。任何补偿电压都会被运算放大器的增益放大,从而导致输出误差,这与运算放大器的增益设置有关。

输入偏置电流指运算放大器输入端所通过的微小电流,用于正确偏置其内部电路。而问题是该电流无法返回传感器,因为运算放大器的反相和同相输入偏置电流方向相同,即同时流入运算放大器或同时流出。

输入偏置电流的另一个潜在问题在于,可能在连接输入端的传感器电阻两端形成不必要的电压降。若阻值较小(通常如此),则这一补偿电压尚可忽略不计;但如果输入电阻较大,例如 pH 探头电极的电阻通常达兆欧级,那就可能会造成较为严重的问题。

对于上述两种以及其他运算放大器参数而言,由温度引起的漂移也是一个问题。由漂移引起的参数值变化较难校正,但是标称温度下的误差可以通过手动硬件微调来补偿(虽然会增加成本,延长时间),也可以通过软件来校正。

此外,运算放大器也可能因老化和温度造成性能改变,并且老化值通常无法预测。许多精密运算放大器的规格书确实提供了关键参数的老化值,但老化是随机过程,因此只能以概率值而非确定值来表示。

实际上,无论在何种情况下,要想准确测量这类精密器件的输入补偿电压和偏置电流都相当非常困难,有效补偿方案的实现也极具挑战性。相比之下,只考虑规格书内容详尽的产品或许更为合适。通过规格书中包含的众多图表,可以了解所有相关性能和应用信息。

从精密运算放大器获取所需的功能
应用运算放大器时,需针对具体器件在各种设计、处理、微调和测试之间取得平衡。而精密运算放大器与标准器件的细微差别在于,设计人员必须确定优先考虑哪些参数和数值,并为每个参数和数值分配相对权重。

我们来分析一下 Analog Devices 推出的两个精密运算放大器系列:ADA4805-1 单通道和 ADA4805-2 双通道器件,以及 ADA4896-2 双通道器件。

虽然基本功能大致相同,但确实存在一些重大差异,两个系列的规格亮点如下表所示(表 1)。如果设计优先考虑较低的电压噪声,ADA4896 似乎是更好的选择,不过其电流噪声和输入补偿电压均比 ADA4805 系列高。当然,除了下列参数外,这两系列之间还存在功率、共模电压等许多其他权衡因素。

参数 ADA4805 系列 ADA4896 系列
电压噪声 5.9 nV/√Hz(100 kHz 时) 1 nV/√Hz
电流噪声 6.0 pA/√Hz 28 pA/√Hz
输入补偿电压 125 μV 500 μV
补偿电压漂移 0.2 μV/℃ 0.2 μV/℃
偏置电流 550 nA -11 μA
偏置电流漂移 430 nA/℃ 3 nA/℃
带宽 105 MHz 230 MHz
压摆率 160 V/μsec 120 V/μsec
工艺技术 专有互补双极 (XFCB) SiGe 双极
表 1:在电流噪声和输入补偿电压等方面,ADA4805 和 ADA4896 精密运算放大器系列存在重大差异。(表数据来源:Digi-Key Electronics)

输出也很重要

虽然输入特性和性能是评估精密运算放大器的重要因素,但输出也不容忽视。这些重要因素中就包括压摆率和输出摆幅。例如,ADA4805 器件具有内部压摆增强电路,可随反馈误差电压上升而提高压摆率,从而实现阶跃输入信号幅值较大时放大器的快速响应和稳定(图 2)。


Analog Devices 的 ADA4805 在选定输出阶跃条件下的阶跃响应图

图 2:ADA4805 在选定输出阶跃条件下的阶跃响应。ADA4805 具有内部压摆增强电路,可随反馈误差电压上升而提高压摆率,从而实现阶跃输入信号幅值较大时放大器的快速响应和稳定。(图片来源:Analog Devices)

请谨记,需要由这些运算放大器调理的传感器信号大多不是阶跃输入信号,因为这些传感器通常是多路复用的。所以当多路复用器 (mux) 切换通道时,运算放大器可能就会接收到阶跃信号。ADA4805 器件的压摆增强功能也会影响大信号频率响应,即较大的输入信号会导致峰值略微增加(图 3)。

Analog Devices 的 ADA4805 频率响应峰值图

图 3:ADA4805 的频率响应峰值是信号电平的函数,此处的增益为 +1。(图片来源:Analog Devices)

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