零漂移、單電源、軌對軌輸入/輸出運(yùn)算放大器AD8751/8752/8754的原理及應(yīng)用

作者：時(shí)間：2006-05-07 來源：網(wǎng)絡(luò)

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摘要：AD875x系列是美國AD公司生產(chǎn)的高精度軌對軌運(yùn)算放大器，具有零漂移、單電源供電、軌對軌輸入/輸出等特點(diǎn)，可廣泛用于溫度、壓力、應(yīng)變、電流等精密測量的場合。本文概要介紹了它們的工作原理和幾個(gè)主要應(yīng)用電路。

本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/226456.htm

關(guān)鍵詞：運(yùn)算放大器軌對軌 AD8751 AD8752 AD8754

1 概述

AD875x系列是一類具有極低失調(diào)電流、漂移電流和偏置電流的軌對軌輸入/輸出運(yùn)算放大器，該系列中AD8751、AD8752和AD8754分別是單運(yùn)放、雙運(yùn)放和四運(yùn)放，它們均可在2.7～5V之間的單電源下工作。AD875x系列具有自調(diào)零或折波穩(wěn)零放大器所提供的功能，并采用AD公司的新拓?fù)浼夹g(shù)，從而使其具有高精度的特性（并且不需外部電容）。另外，通過擴(kuò)展譜自調(diào)零技術(shù)。AD875x系列還可消除交流場合中斬波與信號頻率之間的互調(diào)效應(yīng)。適用于位置、壓力傳感器、溫度傳感器、精度電路檢測、熱電偶放大器、醫(yī)用儀器和應(yīng)變測量儀等對誤差要求極高的儀器中。

單運(yùn)放AD8751采用8腳MSOP封裝和窄8腳SOIC兩種封裝，雙運(yùn)放AD8752采用8腳窄SO和8腳TSSOP封裝，四運(yùn)放AD8754采用14腳TSSOP封裝。圖1所示為AD875x系列管腳圖排列。

AD975x系列運(yùn)算放大器的主要特性如下：

●低失調(diào)電壓：1μV；

●低輸入失調(diào)漂移：0.005μV/℃；

●具有軌對軌輸入輸出的擺幅；

●采用2.7～5V單電源供電；

●高增益，CMRR，PSRR：130dB；

●極小的輸入偏置電流：20pA；

●低供電電流：750μA/Op Amp;

●低過載恢復(fù)時(shí)間：50μs；

●無需外部電容。

AD875x系列運(yùn)算放大器的部分極限值為：

●電源電壓：6V；

●輸入電壓：GND～Vs+0.3V；

●差動(dòng)輸入電壓：±5.0V；

●靜電保護(hù)（ESD，人體模型）：2000V；

●輸出短路至GND的持續(xù)時(shí)間：不限；

●存儲(chǔ)溫度范圍（RM，RU和R封裝）：-65℃～150℃；

●工作溫度范圍（AD8751A、AD8752A和AD8754A）：-40℃～+125℃；

●片芯溫度范圍（RM，RU和R封裝）：-65℃～+150℃；

●焊接溫度范圍（60秒）：300℃。

2 工作原理

AD875x系列放大器是采用隨機(jī)頻率自調(diào)零穩(wěn)定機(jī)制來獲取高精度的CMOS放大器。逢糾正拓?fù)浼夹g(shù)使得AD875x系列可以在相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)保持很低的失調(diào)電壓（典型值為1μV），而隨機(jī)自調(diào)零時(shí)鐘技術(shù)消除了放大器輸出端的互調(diào)失真（IMD）誤差，這兩者的結(jié)合避免了放大器在高增益設(shè)計(jì)的同時(shí)不會(huì)引起輸出端誤差的增大。

每個(gè)AD875x運(yùn)放都包含有兩個(gè)放大器：一個(gè)主放大器和一個(gè)作為自調(diào)零用的從放大器。兩放大器有兩種工作模式：自調(diào)零階段和放大輸出階段。

自調(diào)零放大器具有消除1/f噪聲的能力。1/f噪聲是存在于半導(dǎo)體器件的因有噪聲，對每個(gè)倍頻程的頻率都有3dB的衰減。低頻時(shí)，1/f噪聲的存在會(huì)對子頻或直流精度造成較大的偏差。而作為自校準(zhǔn)運(yùn)放的AD875x則不會(huì)增加低頻下的1/f噪聲，并且能將低頻噪聲當(dāng)作緩慢變化的失調(diào)誤差，通過自校準(zhǔn)機(jī)制對其進(jìn)行抑制，尤其在噪聲頻率近直流時(shí)，其抑制效果則更好。

AD875x作為普通運(yùn)放可獲取高達(dá)1MHz的單位增益帶寬。在一個(gè)2kHz～4kHz的偽隨機(jī)發(fā)生器的作用下，器件自調(diào)零的校準(zhǔn)頻率不斷變化。AD875x的隨機(jī)性的自調(diào)零時(shí)鐘將產(chǎn)生連續(xù)的隨機(jī)互調(diào)失真（IMD），但這種失真可以以平方根和的形式與放大器的電壓噪聲自然混合，從而使輸出端免受（IMD）的干擾。

3 主要應(yīng)用

3.1 5V應(yīng)變測量電路

圖2所示為AD875x用于單電源、精密應(yīng)變測量系統(tǒng)的電路圖。其中REF192用來為A2提供2.5V的精確參考電壓，A2將該電壓提升到4V并加到測定應(yīng)變的電阻橋的上端點(diǎn)處。Q1為350Ω的電阻網(wǎng)絡(luò)提供電流驅(qū)動(dòng)。A1以滿刻度的方式將電橋輸出放大至[2(R1+R2)]/RB(R為負(fù)載電池的電阻)。

3.2 3V儀用放大器

AD875x系列具有的高共模抑制。高開環(huán)增益和可低至3V的工作電壓等特點(diǎn)使之可用作分立的單電源儀用放大器中的運(yùn)放。AD875x的供模抑制比大于120dB，但該系統(tǒng)的CMRR還可能受到外部電路的影響。圖3即為由AD875x構(gòu)成的簡單差動(dòng)放大器。

在理想的差動(dòng)放大器中，可以將電阻值的比值設(shè)為：AV=R2/R1=R4/R3,則系統(tǒng)輸出電壓VOUT=AV(V1-V2)。

然而實(shí)際應(yīng)用中這中個(gè)電阻并不能精確地成比例關(guān)系，共模抑制比也會(huì)受到影響而導(dǎo)致下降。圖3中理論上的共模抑制比應(yīng)為：

CMRR=(R1R4=2R2R4+R2R3)/（2R1R4-2R2R3）

在圖4所示的三運(yùn)放儀用放大器結(jié)果中，用四個(gè)阻值相等的電阻來鈄輸出端的差動(dòng)放大順設(shè)置為單位增益。如果電阻值誤差為δ，則該儀用放大器的CMRR最小值為：CMRRMIN=14/2δ

即使1%的阻值誤差也會(huì)使CMRR的偏差達(dá)0.02（34dB），因此要想使圖4的電路獲得高共模抑制比，就有必須采用高精度的電阻或附加微調(diào)電阻。其中微調(diào)電阻的阻值應(yīng)調(diào)至滿足CMRR計(jì)算公式中分母近似為零，只有這樣，才可以得到最高的共模抑制比。

3.3 高精度熱電偶放大器

圖5所示為一個(gè)具有冷端補(bǔ)償?shù)腒型熱電阻放大器。既使在5V電源供電的情況下，在0℃～500℃的工范圍內(nèi)，AD8751同樣可獲得高于0.02℃的精度。D1用于檢測溫度以補(bǔ)償與熱電偶的冷端誤差，因此需放置得越近越好。熱電偶的一端浸泡于0℃的冰水混合物中，通過調(diào)節(jié)R6使輸出為0V，且輸出能以10mV/℃的靈敏度跟蹤溫度的變化。當(dāng)對更大范的溫度進(jìn)行測量時(shí)，可將R9降至62kΩ。此時(shí)輸出端將會(huì)有5mV/℃的變化，但檢測范圍將擴(kuò)展至1000℃。

3.4 精密電流計(jì)

由于AD875x在低輸入偏置電流和單電源下具有極好的失調(diào)電壓，從而使其在精密電流的監(jiān)測中成為一理想的放大器。軌對軌的輸入特性使AD875x可對高端或低端的電流進(jìn)行檢測，且運(yùn)用AD875中的雙運(yùn)放可以同時(shí)監(jiān)控電流和負(fù)載回路或進(jìn)行失真檢測。圖6為一高端電流檢測的設(shè)計(jì)電路，圖中運(yùn)放的輸入共模電壓非常接近其正電源電壓，同時(shí)又能保證測量的精確性。0.1Ω的電阻可對非反相輸入端產(chǎn)生一電壓降，調(diào)整放大器的輸出可使該壓降出現(xiàn)在反相輸入端。這樣，流過R1的電流在流經(jīng)R2，得到的監(jiān)控輸出為：

VOUT=I2R2RSENSE/R1

以圖6中的參數(shù)計(jì)算，可得到監(jiān)控輸出的傳遞函數(shù)為2.5V/A。

圖7所示是一個(gè)等效的低端電流監(jiān)控電路。圖中，AD8572的輸入電壓接近或等于地。同樣，0.1Ω的電阻用于提供正比于返回電流的電壓。其輸出電壓為：