如何高效選擇和使用精密運算放大器

前端信號調理系統設計時，相較於分立式解決方案，設計人員往往更傾向於使用應用廣泛的大規模高集成度數據採集 IC，以降低成本和時間並縮小尺寸和物料清單 (BOM)。不過，在高性能測試、測量和儀表系統等應用中，設計人員也可以考慮使用分立式運算放大器連接專用傳感器作為關鍵前端組件。

功能單一的精密運算放大器屬於專用器件，具有極低的電壓偏移、失調漂移和輸入偏置電流，並且能夠實現帶寬、噪聲與功耗之間的性能平衡。發燒友公眾號回復資料可以免費獲取電子資料一份記得留郵箱地址。

對於設計人員而言，使用這些精密器件時必須克服兩大設計挑戰：選擇最適合應用的器件，以及充分實現其潛在性能。後者需要深入了解器件操作並正確應用，以免因疏忽導致未能啟用某些精密屬性。

本文將介紹各種精密運算放大器的作用和細微差別及其設計考慮因素，然後，以 Analog Devices 的解決方案為例，運用這些設計考慮因素來說明如何選擇並有效應用精密運算放大器。

精密運算放大器的作用

設計人員之所以傾向於使用具有較低精度運算放大器的大規模 IC，主要是因為只需「校準」運算放大器的缺陷，即可確保傳感器通道的性能。然而，這不僅耗費時間，而且傳感器及其通道前端通常難以做到準確校準，尤其對於現場系統。只有考慮到精密運算放大器的作用，才能體會這一點的重要性。

精密運算放大器主要用於應變片、超聲波壓電變送器和光電探測器等傳感器，用以捕獲輸出信號，而非加載較弱的傳感器輸出。然後，運算放大器將經調理的信號準確傳送至模擬信號鏈的其餘部分，最終送達模數轉換器 (ADC)。此外，精密運算放大器也可用於模擬濾波器，確保相關信號不失真或發生直流偏移。

在這些應用中，運算放大器在時間、溫度和電源軌方面的性能呈線性響應，具有可重複性和穩定性，這一點相當重要。此外，多數情況下可保持低噪聲（傳感器輸出信號或其他模擬信號通常相當小），整個響應曲線較為平坦，並實現對最小過衝和瞬時振蕩的快速壓擺。由於許多應用都採用電池供電，因此運算放大器在活動和靜態模式下應當儘量降低功耗。

功能單一的精密運算放大器由標準的運算放大器符號表示（圖 1），卻不能顯示專用分立式器件的複雜性。

圖 1：精密運算放大器的原理圖符號與標準運算放大器相同，卻無法顯示這類關鍵前端信號處理基本器件的類別、性能或參數。（圖片來源：Analog Devices）

在非精密應用中，運算放大器的性能參數往往屬於次級或三級考慮因素，而對於精密運算放大器而言卻是優先考慮因素。其中包括噪聲（通常以 µV/√Hz 或 nV/√Hz 表示）、輸入補償電壓及其漂移、輸入偏置電流及其漂移，以及增益、帶寬和壓擺率等常見參數。

輸入補償電壓和輸入偏置電流都值得仔細研究：

輸入補償電壓指在運算放大器的兩個輸入端所施加的直流 (DC) 電壓，以獲得恆定的零電壓輸出。任何補償電壓都會被運算放大器的增益放大，從而導致輸出誤差，這與運算放大器的增益設置有關。

輸入偏置電流指運算放大器輸入端所通過的微小電流，用於正確偏置其內部電路。而問題是該電流無法返回傳感器，因為運算放大器的反相和同相輸入偏置電流方向相同，即同時流入運算放大器或同時流出。

輸入偏置電流的另一個潛在問題在於，可能在連接輸入端的傳感器電阻兩端形成不必要的電壓降。若阻值較小（通常如此），則這一補償電壓尚可忽略不計；但如果輸入電阻較大，例如 pH 探頭電極的電阻通常達兆歐級，那就可能會造成較為嚴重的問題。

對於上述兩種以及其他運算放大器參數而言，由溫度引起的漂移也是一個問題。由漂移引起的參數值變化較難校正，但是標稱溫度下的誤差可以通過手動硬體微調來補償（雖然會增加成本，延長時間），也可以通過軟體來校正。

此外，運算放大器也可能因老化和溫度造成性能改變，並且老化值通常無法預測。許多精密運算放大器的規格書確實提供了關鍵參數的老化值，但老化是隨機過程，因此只能以概率值而非確定值來表示。

實際上，無論在何種情況下，要想準確測量這類精密器件的輸入補償電壓和偏置電流都相當非常困難，有效補償方案的實現也極具挑戰性。相比之下，只考慮規格書內容詳盡的產品或許更為合適。通過規格書中包含的眾多圖表，可以了解所有相關性能和應用信息。

從精密運算放大器獲取所需的功能

應用運算放大器時，需針對具體器件在各種設計、處理、微調和測試之間取得平衡。而精密運算放大器與標準器件的細微差別在於，設計人員必須確定優先考慮哪些參數和數值，並為每個參數和數值分配相對權重。

我們來分析一下 Analog Devices 推出的兩個精密運算放大器系列：ADA4805-1 單通道和 ADA4805-2 雙通道器件，以及 ADA4896-2 雙通道器件。

雖然基本功能大致相同，但確實存在一些重大差異，兩個系列的規格亮點如下表所示（表 1）。如果設計優先考慮較低的電壓噪聲，ADA4896 似乎是更好的選擇，不過其電流噪聲和輸入補償電壓均比 ADA4805 系列高。當然，除了下列參數外，這兩系列之間還存在功率、共模電壓等許多其他權衡因素。

電壓噪聲	5.9 nV/√Hz（100 kHz 時）	1 nV/√Hz
電流噪聲	6.0 pA/√Hz	28 pA/√Hz
輸入補償電壓	125 μV	500 μV
補償電壓漂移	0.2 μV/℃	0.2 μV/℃
偏置電流	550 nA	-11 μA
偏置電流漂移	430 nA/℃	3 nA/℃
帶寬	105 MHz	230 MHz
壓擺率	160 V/μsec	120 V/μsec
工藝技術	專有互補雙極 (XFCB)	SiGe 雙極
參數	ADA4805 系列	ADA4896 系列

表 1：在電流噪聲和輸入補償電壓等方面，ADA4805 和 ADA4896 精密運算放大器系列存在重大差異。（表數據來源：Digi-Key Electronics）

輸出也很重要

雖然輸入特性和性能是評估精密運算放大器的重要因素，但輸出也不容忽視。這些重要因素中就包括壓擺率和輸出擺幅。例如，ADA4805 器件具有內部壓擺增強電路，可隨反饋誤差電壓上升而提高壓擺率，從而實現階躍輸入信號幅值較大時放大器的快速響應和穩定（圖 2）。

圖 2：ADA4805 在選定輸出階躍條件下的階躍響應。ADA4805 具有內部壓擺增強電路，可隨反饋誤差電壓上升而提高壓擺率，從而實現階躍輸入信號幅值較大時放大器的快速響應和穩定。（圖片來源：Analog Devices）

請謹記，需要由這些運算放大器調理的傳感器信號大多不是階躍輸入信號，因為這些傳感器通常是多路復用的。所以當多路復用器 (mux) 切換通道時，運算放大器可能就會接收到階躍信號。ADA4805 器件的壓擺增強功能也會影響大信號頻率響應，即較大的輸入信號會導致峰值略微增加（圖 3）。

圖 3：ADA4805 的頻率響應峰值是信號電平的函數，此處的增益為 +1。（圖片來源：Analog Devices）

ADA4805 放大器斷電時，輸出進入高阻態，阻抗隨頻率增加而降低。關斷模式下，ADA4805 器件可在 100 kHz 實現 62 dB 的正向隔離（圖 4）。

圖 4：ADA4805 的正向/關斷隔離是頻率的函數，隨頻率增加而減小。（圖片來源：Analog Devices）

由於差分信號可降低噪聲和諧波失真，因而廣泛應用於高性能 ADC，而 ADA4805 等精密運算放大器可用於將傳感器固有的單端輸出信號轉換為差分信號。實現這一點正是設計權衡的典型示例：要麼使用差分放大器，要麼配置兩個完全獨立的放大器來執行單端至差分轉換。前者往往可以確保更優的性能，但成本高於兩個放大器的解決方案。

ADA4805 系列兼具兩者之優勢，輕鬆解決了這一難題。由於器件固有的低諧波失真、低補償電壓和低偏置電流，差分輸出可與高解析度 ADC 的性能完美匹配，而成本卻與單個差分放大器解決方案相差無幾。

驅動容性負載時，情況會相對棘手一點。放大器輸出端的電容會造成反饋環路的時間延遲（相移），若在環路帶寬內，則會產生過高的瞬時振蕩和擺動。例如，如 ADA4896-2 的響應與增益曲線所示，最大峰值出現在增益為 +2 時（圖 5）。

圖 5：ADA4896-2 的小信號頻率響應與增益關係圖顯示其響應隨增益的變化（RL = 1 kΩ；G = +1 時，RF = 0 Ω；否則，RF = 249 Ω）。（圖片來源：Analog Devices）

如果不希望出現峰值，標準解決方案是添加低阻值的「緩衝」電阻器，與放大器輸出及其容性負載串聯，從而將影響降至最低限度。阻值僅為 100 Ω 的緩衝器即可完全消除響應峰值，但由於輸出衰減會導致閉環增益降低 0.8 dB，因此設計人員需要進行利弊權衡。緩衝電阻器的阻值可在 0 Ω 至 100 Ω 之間調節，從而提供可接受的峰值和閉環增益水平（圖 6）。

圖 6：在輸出端使用緩衝電阻器 (RSNUB) 可降低 ADA4896-2 最差情況頻率響應（增益為 +2）的峰值。（圖片來源：Analog Devices）

使用增益可選放大器，信號鏈即可處理各種可能的輸入信號。傳統的增益可選放大器利用反饋環路的開關連接反相輸入端。這些開關具有不可避免的小電阻，而該電阻可降低放大器的噪聲性能，並在反相輸入節點上增加較大的電容，這兩者對運算放大器的低噪聲性能均有不利影響。此外，開關電阻還會增加非線性增益誤差，從而影響運算放大器的性能。

為避免性能下降，設計人員可以使用可編程增益開關拓撲結構，保持 ADA4896-2 低至 1 nV/Hz 的噪聲性能，並降低非線性增益誤差（圖 7）。選擇電容最小的開關還可以優化電路的帶寬。

圖 7：ADA4896-2 的兩個通道和 ADG633 模擬開關可用於構建低噪聲增益可選放大器，降低非線性增益誤差，驅動低電阻負載。（圖片來源：Analog Devices）

輸入放大器的偏置電流雖小，但可能會導致輸出偏移，具體取決於增益設置。但是，由於 ADA4896-2 的輸入放大器和輸出緩衝級均為單晶片器件，因此兩者的偏置電流高度匹配，很大程度上可利用這一特性來消除偏移變化。

封裝和布局注意事項

製造精密運算放大器不單單只是在半導體晶片上構建精心設計的電路，還需考慮如何封裝，以及如何應用該封裝才能使器件性能與規格書中「完美」條件下的性能參數不相上下。

與精密電壓基準類似，在運算放大器放置和最初焊接過程中，以及現場工作時印刷電路板的正常彎曲和振動，都會讓放大器承受微小的機械應力。由此產生的應變可能會導致器件性能產生微小卻顯著的潛在變化，這主要是因為晶片晶體的壓電效應以及其他材料特性。

因此，請務必確保印刷電路板足夠堅固，並在必要時提供額外支撐。在現場使用前甚至有必要使電路板經歷數個熱循環以減小可能存在的應力。

與多數模擬電路一樣，尤其是精密電路，布局與接地是決定設計成敗的關鍵考慮因素。並聯使用較大和較小的旁路電容來繞過電源至關重要。通常，旁路電容對就由 10 µF 電解電容器和 0.1 µF 陶瓷電容器並聯組成。電路板布局時，最小值的電容應放置在放大器的同一側，並且儘可能靠近其電源引腳。

單通道與雙通道器件的對比

在單通道與雙通道精密運算放大器之間作選擇，涉及一些典型的權衡和妥協問題（圖 8）。例如，就功能而言，雙通道器件的封裝尺寸更小，並且由於所需的旁路電容較少，整體電路板佔用面積更小。

圖 8：採用 6 引腳 SOT-23 封裝的 ADA4805-1 引腳分配（左圖）；採用 8 引腳 MSOP 封裝的 ADA4805-2 引腳分配（右圖）。（圖片來源：Analog Devices）

不過，如果使用雙通道器件，則低電平輸入信號印製線可能會更長，具體取決於電路原理圖；因而會佔用更多空間，使設計複雜化，並且增加噪聲。因此，決定設計使用兩個單通道器件或是一個雙通道器件，還須憑藉對各放大器功能的接近程度、IC 總體和相關無源器件的佔用面積以及電氣性能的評估來評判，而不能只考慮 BOM 的簡化。

精密運算放大器的反直覺接地規則

電路板布局設計人員常常假定接地面積和接地平面越大越好，但是精密運算放大器的接地規則卻有所不同。

因為接地平面與輸入和輸出緩衝器之間產生的雜散電容會對高速放大器性能產生不利影響，所以避免在精密運算放大器的輸入和輸出端下方及周圍區域布置接地，這一點尤為重要。反相輸入端的雜散電容和放大器的輸入電容，也會降低相位裕度並導致不穩定。而輸出端的雜散電容會在反饋環路中形成極點，也會降低相位裕度並導致電路不穩定。

如何開始使用精密運算放大器

使用供應商提供的評估板，即可輕鬆領略這些運算放大器眾多性能的巧妙之處。所幸，供應商產品組合中採用給定封裝的運算放大器引腳布局大多已經標準化（很大程度上算是業內普遍情況），因此只需一塊評估板即可評估多種型號的運算放大器。

例如，Analog Devices 的 EVAL-HSAMP-2RMZ-8 是一款裸板（無載印刷電路板）。這款六層評估板可用於 8 引腳 MSOP 封裝的雙通道放大器，輸入和輸出端支持 SMA 邊緣安裝連接器，以便與測試設備或其他電路建立高效的寬帶連接（圖 9）。

圖 9：Analog Devices 的 EVAL-HSAMP-2RMZ-8 六層裸板可用於評估 8 引腳 MSOP 封裝的雙通道運算放大器，輸入和輸出端支持 SMA 邊緣安裝連接器。（圖片來源：Analog Devices）

評估板的接地平面和元器件布局旨在最大限度地降低寄生電感和電容，但是這一點無法只從原理圖中清楚體現（圖 10）。

圖 10：Analog Devices 的 EVAL-HSAMP-2RMZ-8 評估板原理圖。（圖片來源：Analog Devices）

EVAL-HSAMP-2RMZ-8 的原理圖雖顯示了組件間的連接和元器件空間分配，卻沒有標註實際值。因為該評估板是無載印刷電路板，允許用戶使用與運算放大器匹配的無源器件值，並根據應用需求來評估性能。建議評估板組件主要採用 SMT 0603 外殼尺寸，除旁路電解電容器（C1 和 C2）外，後者採用 1206 外殼尺寸。

總結

大規模、高集成度數據採集 IC 可以降低成本和時間，並縮小尺寸和物料清單 (BOM)，但是一些應用需要使用分立式精密運算放大器。這些功能單一的器件高度專業化，因而為了充分實現其潛在性能，選型和設計難度劇增。

不過，充分了解器件選型的諸多考慮因素後，可以加速選擇過程。選型確定後，還必須考慮上述因素才能正確運用精密運算放大器，從而避免損害器件的實際性能，實現規格書中的性能指標。此外，通過評估板可掌握元器件布置和電路板布局的知識（原理圖未標註具體數值），這是關乎設計成敗的關鍵。

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