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。
运算放大器-常用型号
立创商城商品编号 | 品牌/厂商 | 厂家型号 | 封装/描述 |
C7950 |
ON(安森美) |
LM358DR2G |
SOIC-8_150mil 通用运放 GBP:1MHz |
C57473 |
ON(安森美) |
LM2902DR2G |
SOIC-14_150mil 通用运放 GBP:1MHz |
C9418 |
ST(意法半导体) |
LM358DT |
SOIC-8_150mil 通用运放 GBP:1.1MHz |
C71035 |
ST(意法半导体) |
LM324DT |
SOIC-14_150mil 通用运放 GBP:1MHz |
C160130 |
SGM8545XN5/TR |
SOT-23-5 低功耗运放 GBP:1.1MHz |
|
C5423 |
TI(德州仪器) |
LM358DR |
SOIC-8_150mil 通用运放 GBP:700kHz |
C7433 |
TI(德州仪器) |
OP07CDR |
SOIC-8_150mil 精密运放 GBP:600kHz |
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:
1、选择最适合应用的器件;
2、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。
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)
精密运放-常用型号
立创商城商品编号 | 品牌/厂商 | 厂家型号 | 封装/描述 |
C7433 |
TI(德州仪器) |
OP07CDR |
SOIC-8_150mil GBP:600kHz 1组 |
C93026 | TI(德州仪器) |
TLC2274AIDR |
SOIC-14_150mil GBP:2.25MHz 4组 |
C153793 |
ADI(亚德诺) |
ADA4805-1AKSZ-R7 |
SC-70-6 GBP:105MHz(-3dB) 4组 |
C207409 |
ADI(亚德诺) |
ADA4805-1AKSZ-R2 |
SC-70-6 GBP:105MHz(-3dB) 4组 |
C157715 |
Gainsil聚洵 |
GS8551-TR |
SOT-23-5 GBP:1.8MHz 1组 |
C157716 |
Gainsil聚洵 |
GS8552-SR |
SOIC-8_150mil GBP:1.8MHz 2组 |
C236999 |
RUNIC(润石) |
RS8552XK |
SOIC-8_150mil GBP:4.5MHz 2组 |
从精密运放获取所需的功能
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所示。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。
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
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。
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)。
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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SN65LBC184DR/RS-485/RS-422芯片 | 3.75 | |
ADS1256IDBR/模数转换芯片ADC | 42.32 | |
ADS1220IPWR/模数转换芯片ADC | 16.35 | |
LTM4644IY#PBF/电源模块 | 128.34 | |
AD7689BCPZRL7/模数转换芯片ADC | 24.62 | |
TMS320F28035PNT/单片机(MCU/MPU/SOC) | 18.66 | |
TPS54331DR/DC-DC电源芯片 | 0.8793 | |
ADS1115IDGSR/模数转换芯片ADC | 6.22 | |
ADUM1201ARZ-RL7/数字隔离器 | 4.51 | |
MAX31865ATP+T/模数转换芯片ADC | 13.18 |
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