為傳感器輸入處理設(shè)計(jì)選擇精密運(yùn)算放大器時(shí)的注意事項(xiàng)

作為消費(fèi)、工業(yè)、科學(xué)和其他應(yīng)用的基本組成部分，運(yùn)算放大器是最廣泛應(yīng)用的電子元器件。對(duì)大多數(shù)低端應(yīng)用來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)要求明確，因而元件的選擇也相對(duì)容易。但在用于實(shí)現(xiàn)許多高端傳感器的輸入處理設(shè)計(jì)時(shí)，如何選擇最佳的精密運(yùn)算放大器卻存在一些挑戰(zhàn)。

在傳感器類(lèi)型和（或）其使用環(huán)境帶來(lái)許多特別要求時(shí)，例如超低功耗、低噪聲、零漂移、軌到軌輸入及輸出、可靠的熱穩(wěn)定性和對(duì)數(shù)以千計(jì)讀數(shù)和（或）在惡劣工作條件下提供一致性能的可再現(xiàn)性，運(yùn)算放大器的選擇就會(huì)變得特別困難。

在基于傳感器的復(fù)雜應(yīng)用中，設(shè)計(jì)者需要進(jìn)行多方面考慮，以便獲得規(guī)格與性能最佳組合的精密運(yùn)算放大器，同時(shí)還需要考慮成本。具體而言，斬波穩(wěn)定型運(yùn)算放大器（零漂移放大器）非常適用于要求超低失調(diào)電壓以及零漂移的應(yīng)用。斬波運(yùn)算放大器通過(guò)持續(xù)運(yùn)行在芯片上實(shí)現(xiàn)的校準(zhǔn)機(jī)制來(lái)達(dá)到高DC精度。

雖然沒(méi)有普遍公式可供遵循，但下面的如何選擇運(yùn)算放大器的例子可幫助實(shí)現(xiàn)重要的應(yīng)用目標(biāo)。

衡器和壓力傳感器

衡器和壓力檢測(cè)應(yīng)用通常使用非常靈敏的模擬前端傳感器，如應(yīng)變計(jì)，這些傳感器可提供非常精確的測(cè)量結(jié)果，但輸出信號(hào)非常微弱。對(duì)于高精度衡器應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員可能使用橋式傳感器網(wǎng)絡(luò)，其中運(yùn)算器與用于提供共模提取和10PPM~20PPM精度的選定增益電阻器配對(duì)使用。這種先進(jìn)的“自主”設(shè)計(jì)對(duì)運(yùn)算放大器性能具有嚴(yán)格的要求，以便從相對(duì)較大的輸入提取非常弱小的信號(hào)。

為了成功地放大這些弱小信號(hào)，運(yùn)算放大器必須具有超低輸入失調(diào)電壓和最小失調(diào)溫度漂移，并具有寬增益帶寬和軌到軌輸入/輸出擺幅（當(dāng)然，小輸入信號(hào)不需要軌到軌輸入擺幅）。同樣重要的還有運(yùn)算放大器需要在接近DC狀態(tài)（如0.1Hz~10Hz）時(shí)具有非常穩(wěn)定的超低頻噪聲特征

對(duì)于高精密衡器橋式網(wǎng)絡(luò)傳感器應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)尋找具有極低輸出失調(diào)電壓和低噪聲（1/f-1mHz）的單個(gè)零漂移運(yùn)算放大器。

如圖1所示，一個(gè)很好的例子是斬波零漂移ISL28134運(yùn)算放大器，其可在0.1Hz到10Hz頻率范圍內(nèi)提供卓越噪聲電壓（nV），從而對(duì)DC電平提供幾乎平坦的噪聲頻帶。因其內(nèi)部穩(wěn)定的斬波設(shè)計(jì)，ISL28134L技術(shù)規(guī)格實(shí)際包括10 PPM的最大噪聲增益（七西格瑪）來(lái)提供針對(duì)高增益應(yīng)用的最優(yōu)性能，同時(shí)最小化噪聲增益誤差。


圖1 ISL28134: 0.1Hz 到 10Hz 峰-峰噪聲電壓

對(duì)于便捷式衡器應(yīng)用，低功耗也是一個(gè)需要重要考慮的因素。設(shè)計(jì)人員可考慮采用ISL28133，這款放大器基于斬波穩(wěn)定設(shè)計(jì)，綜合了低微功耗（最大25µA）和低失調(diào)電壓（最大6µV）的特征，它可具有直流電平平坦噪聲頻帶以及近于零漂移的特點(diǎn)。對(duì)于其他需要使用更高基準(zhǔn)電壓（如10V而非5V）的應(yīng)變計(jì)應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員可以考慮ISL28217或ISL28227。

電流檢測(cè)和控制應(yīng)用

根據(jù)具體要求的不同，檢測(cè)電流強(qiáng)度的方法很多。其中包括使用電阻器的分路傳感器、霍爾效應(yīng)傳感器以及電流互感器。在本例中，我們將考察應(yīng)用于分路傳感器的運(yùn)算放大器的要求?，F(xiàn)今的分路傳感器技術(shù)已發(fā)展到具有高精度，并可提供低成本優(yōu)勢(shì)的特點(diǎn)，并且適用范圍廣。

基本而言，分路傳感器技術(shù)是將一個(gè)電阻器置于被測(cè)量電源的線路中。因?yàn)殡娮鑹航禃?huì)影響功效，所以通常需要使用盡可能小的電阻值。而這就意味在電流檢測(cè)應(yīng)用中，必須放大相對(duì)較小的電阻差分功率。

因此，運(yùn)算放大器電路必須提供高共模范圍和高精度。低功耗也是一個(gè)重要要求，特別是對(duì)電池應(yīng)用的傳感器。嵌入式電流檢測(cè)電路也需要相對(duì)便宜，以便不顯著增加被監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的物料成本。