精密放大器:零漂移特性和更寬電源電壓及輸入電壓範圍

2021-01-08 電子產品世界

運放是信號調理的關鍵部件，可以實現放大、緩衝、驅動、電平移位、有源濾波、I-V轉換、V-I轉換以及各種數學運算功能(加、減、積分、微分、乘除法等)。在不同的應用中，對功能的不同要求已經催生出許多不同類別的專用放大器，從而實現更高的性能，並簡化了設計流程。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。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/175259.htm

對於精密放大器，多年來穩定前行並在2012年迅猛發展的兩大關鍵趨勢是：零漂移特性和更寬的電源電壓及輸入電壓範圍，本文將重點解析這兩個重要技術特性及其相關的產品和應用。

零漂移放大器

在許多工業儀表和醫療應用中，傳感器產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理電路進行調理。然而，運算放大器的失調電壓、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電壓和漂移，消除1/f噪聲，以實現最佳的信號調理。

零漂移放大器很好地實現了這些要求，能動態地校正失調電壓使得失調電壓大大降低，並重整噪聲密度使1/f噪聲消失。零漂移放大器最初用於預期設計壽命10年以上的系統，以及使用高閉環增益(》100)和低頻(《100 Hz)、低幅度信號的信號鏈，適用於包括精密電子秤、醫療儀器、精密計量設備和紅外/電橋/熱電堆傳感器接口的應用。另外，與標準放大器相比，零漂移放大器具有將近零的失調電壓和更高的開環增益，較高的電源抑制比和共模抑制比。

幾種經典零漂移放大器

零漂移放大器通常採用兩種技術——自穩零或斬波，這兩種技術各有其優缺點，適合不同應用。自穩零採用採樣保持技術，由於噪聲折回基帶，其帶內電壓噪聲較大;斬波使用信號調製和解調技術，具有更低的基帶噪聲，但在斬波頻率及諧波處產生噪聲頻譜。ADI公司推出的ADA4528-1採用斬波+自動校正反饋環路的技術，將斬波頻率及諧波處的噪聲頻譜大大降低。ADA4528-1是迄今業界最低噪聲、最低失調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的低失調電壓以及最大0.015µV/?C的業界最低失調電壓漂移，開環增益為140dB，共模抑制比為135 dB，電源抑制比為130 dB。ADA4528-1適合供電電壓範圍在2.2V至5V的儀器儀表和醫療應用，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、醫療儀器及手持式測試設備等。

除了普通的運放採用自穩零的技術，專用放大器產品也採用了該技術以獲得性能的提升。AD8230是採用自穩零技術的一款低漂移精密儀表放大器。自穩零特性使失調電壓漂移降至50 nV/?C以下，在−40℃至+125℃擴展工業溫度範圍內也能保持高性能。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軌到軌共模輸入範圍則可以適應地電位變化幅度達數伏的噪聲環境。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用的絕佳選擇。

AD8217/8/9是採用零漂技術的電流檢測放大器，在-40℃至+125℃整個工作溫度範圍和共模電壓範圍內，失調漂移典型值為±100nV/℃。器件中還特別進行了設計，使得無論是否存在共模電壓，在整個輸入差分電壓範圍內該器件都能保持線性輸出，而輸入失調電壓典型值為±50 μV。

典型應用解析

圖2所示電路是一個精密電子秤信號調理系統，它使用一個低功耗緩衝式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。

對於滿量程輸出為10mV的稱重傳感器，該電路提供15.3位的無噪聲碼解析度。利用本電路可以非常靈活地設計定製低電平信號調理前端，用戶可以輕鬆優化傳感器-放大器-轉換器組合電路的整體傳遞函數。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，放大器連續自行校正任何直流誤差，儘可能保持精確。除了低失調電壓和漂移外，ADA4528-1也沒有1/f噪聲，這一重要特性有助於電子秤在直流或低頻時進行精確測量。

圖2：基於ADA4528-1的精密電子秤信號調理電路。

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