精密運(yùn)放的零漂移和寬電源及輸入電壓范圍技術(shù)解析

在計(jì)算、通信及消費(fèi)等常見的電子系統(tǒng)中，處理器/控制器、存儲(chǔ)器、電源管理IC等往往是矚目的焦點(diǎn)器件。與這些熱門器件比較而言，運(yùn)算放大器(運(yùn)放)顯得有些默默無聞。但實(shí)際上，運(yùn)算放大器幾乎是任何電子系統(tǒng)的幕后英雄，發(fā)揮著基礎(chǔ)但又不可替代的作用。

運(yùn)算放大器應(yīng)用廣泛，其產(chǎn)品類別眾多，從功能/特性來看，運(yùn)算放大器一般包括高速放大器、精密放大器及專用放大器等不同類型。精密運(yùn)放(帶寬低于50 MHz，失調(diào)電壓=1000 μV )是其中具有廣泛應(yīng)用、工程師接觸最多的一個(gè)重要類別。運(yùn)放的分類沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，一般地，根據(jù)不同應(yīng)用對(duì)運(yùn)放不同參數(shù)的要求，我們可以大致分為低失調(diào)電壓運(yùn)放、低偏置電流運(yùn)放、低噪聲運(yùn)放等。

運(yùn)放是信號(hào)調(diào)理的關(guān)鍵部件，可以實(shí)現(xiàn)放大、緩沖、驅(qū)動(dòng)、電平移位、有源濾波、I-V轉(zhuǎn)換、V-I轉(zhuǎn)換以及各種數(shù)學(xué)運(yùn)算功能（加、減、積分、微分、乘除法等）。在不同的應(yīng)用中，對(duì)功能的不同要求已經(jīng)催生出許多不同類別的專用放大器，從而實(shí)現(xiàn)更高的性能，并簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)流程。這些高性能器件包括儀表放大器、電流檢測(cè)放大器、差分放大器和可編程增益放大器。

對(duì)于精密放大器，多年來穩(wěn)定前行并有望在2012年迅猛發(fā)展的兩大關(guān)鍵趨勢(shì)是：零漂移特性和更寬的電源電壓及輸入電壓范圍，本文將重點(diǎn)解析這兩個(gè)重要技術(shù)特性及其相關(guān)的產(chǎn)品和應(yīng)用。

零漂移放大器
在許多工業(yè)儀表和醫(yī)療應(yīng)用中，傳感器產(chǎn)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(hào)調(diào)理電路進(jìn)行調(diào)理。然而，運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓、漂移和1/f噪聲會(huì)引入誤差，從而影響直流或低頻、低電平電壓的測(cè)量。因此，必須最大程度地降低運(yùn)放的失調(diào)電壓和漂移，消除1/f噪聲，以實(shí)現(xiàn)最佳的信號(hào)調(diào)理。

零漂移放大器很好地實(shí)現(xiàn)了這些要求，能動(dòng)態(tài)地校正失調(diào)電壓使得失調(diào)電壓大大降低，并重整噪聲密度使1/f噪聲消失。零漂移放大器最初用于預(yù)期設(shè)計(jì)壽命10年以上的系統(tǒng)，以及使用高閉環(huán)增益(>100)和低頻(100 Hz)、低幅度信號(hào)的信號(hào)鏈，適用于包括精密電子秤、醫(yī)療儀器、精密計(jì)量設(shè)備和紅外/電橋/熱電堆傳感器接口的應(yīng)用。另外，與標(biāo)準(zhǔn)放大器相比，零漂移放大器具有將近零的失調(diào)電壓和更高的開環(huán)增益，較高的電源抑制比和共模抑制比。

1. 幾種經(jīng)典零漂移放大器

零漂移放大器通常采用兩種技術(shù)——自穩(wěn)零或斬波，這兩種技術(shù)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，適合不同應(yīng)用。自穩(wěn)零采用采樣保持技術(shù)，由于噪聲折回基帶，其帶內(nèi)電壓噪聲較大；斬波使用信號(hào)調(diào)制和解調(diào)技術(shù)，具有更低的基帶噪聲，但在斬波頻率及諧波處產(chǎn)生噪聲頻譜。ADI的零溫漂運(yùn)放有三代產(chǎn)品，采用的技術(shù)分別是：自穩(wěn)零，自穩(wěn)零+斬波，斬波+自動(dòng)校正反饋環(huán)路，詳見下表：

表：ADI零溫漂運(yùn)放產(chǎn)品。

ADI公司推出的ADA4528-1采用斬波+自動(dòng)校正反饋環(huán)路的技術(shù)，將斬波頻率及諧波處的噪聲頻譜大大降低。ADA4528-1是迄今業(yè)界最低噪聲、最低失調(diào)漂移的精密零漂移運(yùn)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(diào)電壓以及最大0.015μV/?C的業(yè)界最低失調(diào)電壓漂移，開環(huán)增益為140dB，共模抑制比為135 dB，電源抑制比為130 dB。ADA4528-1適合供電電壓范圍在2.2V至5V的儀器儀表和醫(yī)療應(yīng)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(yī)療儀器及手持式測(cè)試設(shè)備等。

除了普通的運(yùn)放采用自穩(wěn)零的技術(shù)，專用放大器產(chǎn)品也采用了該技術(shù)以獲得性能的提升。AD8230是采用自穩(wěn)零技術(shù)的一款低漂移精密儀表放大器。自穩(wěn)零特性使失調(diào)電壓漂移降至50 nV/?C以下，在?40℃至+125℃擴(kuò)展工業(yè)溫度范圍內(nèi)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(yuǎn)的測(cè)量中的線路噪聲；16V軌到軌共模輸入范圍則可以適應(yīng)地電位變化幅度達(dá)數(shù)伏的噪聲環(huán)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(yīng)用的絕佳選擇。

AD8217/8/9是采用零漂技術(shù)的電流檢測(cè)放大器，在-40℃至+125℃整個(gè)工作溫度范圍和共模電壓范圍內(nèi)，失調(diào)漂移典型值為±100nV/℃。器件中還特別進(jìn)行了設(shè)計(jì)，使得無論是否存在共模電壓，在整個(gè)輸入差分電壓范圍內(nèi)該器件都能保持線性輸出，而輸入失調(diào)電壓典型值為±50 μV。

2. 典型應(yīng)用解析

圖2所示電路是一個(gè)精密電子秤信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)，它使用一個(gè)低功耗緩沖式24位Σ-Δ型ADC AD7791和兩個(gè)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(duì)于滿量程輸出為10mV的稱重傳感器，該電路提供15.3位的無噪聲碼分辨率。利用本電路可以非常靈活地設(shè)計(jì)定制低電平信號(hào)調(diào)理前端，用戶可以輕松優(yōu)化傳感器-放大器-轉(zhuǎn)換器組合電路的整體傳遞函數(shù)。來自稱重傳感器的低電平幅度信號(hào)由兩個(gè)零漂移放大器ADA4528-1放大，放大器連續(xù)自行校正任何直流誤差，盡可能保持精確。除了低失調(diào)電壓和漂移外，ADA4528-1也沒有1/f噪聲，這一重要特性有助于電子秤在直流或低頻時(shí)進(jìn)行精確測(cè)量。

圖2：基于ADA4528-1的精密電子秤信號(hào)調(diào)理電路。

寬電源及輸入電壓范圍放大器

相對(duì)于任何其它系統(tǒng)器件，更寬電源和輸入電壓范圍是精密運(yùn)算放大器的另一項(xiàng)關(guān)鍵要求，也是對(duì)運(yùn)算放大器的一個(gè)更大挑戰(zhàn)。在電力系統(tǒng)、汽車或大型電池組的系統(tǒng)中，放大器的輸入可能連接到幾百伏高壓，同時(shí)必須仍然在微伏范圍內(nèi)放大信號(hào)。此外，越來越多的系統(tǒng)采用更低的電壓供電，但輸入信號(hào)通常并不受系統(tǒng)供電電壓的限制，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過供電電壓