為精密傳感器模擬前端設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理模塊

Daniel Burton

我正在為精密傳感器模擬前端設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理模塊。我應(yīng)該使用具有軌到軌輸入的運(yùn)算放大器嗎？

答：

可能—這取決于傳感器的輸出信號(hào)是否強(qiáng)制運(yùn)算放大器達(dá)到接近電源軌的電壓。例如，如果我們要通過(guò)精密0 Ω分流電阻器監(jiān)控500 mA至10 mA的負(fù)載電流，則最大輸出將為5 V。如果放大器電源電壓為5 V，則需要選擇軌到軌輸入電壓范圍的放大器。

許多運(yùn)算放大器的經(jīng)典輸入級(jí)是晶體管差分對(duì)。為了使運(yùn)算放大器放大共模電壓（V厘米）信號(hào)在輸入端，它必須在V之間有足夠的電壓裕量厘米和電源電壓。如果 V厘米足夠接近任一電源軌，使輸入對(duì)耗盡裕量，輸入失調(diào)電壓以及其他關(guān)鍵參數(shù)將降低，從而導(dǎo)致精度損失，如圖1所示。正是這些裕量要求定義了運(yùn)算放大器的指定輸入電壓范圍（IVR）。一些業(yè)界最高精度的放大器，如ADA4610，具有這種經(jīng)典的輸入結(jié)構(gòu)。只要輸入電壓遠(yuǎn)離電源軌，它就具有出色的精度。

圖1.ADA4610典型輸入失調(diào)電壓與共模電壓的關(guān)系

如果傳感器的輸出信號(hào)不包括V+軌，但范圍一直到負(fù)軌，則需要一個(gè)可以接受V的放大器厘米這也去了 V-。這種類(lèi)型的運(yùn)算放大器稱為單電源，因?yàn)橥ㄟ^(guò)將V–接地，只需要一個(gè)電壓源。單電源運(yùn)算放大器采用特殊的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即使信號(hào)靠近V–軌，也可以放大信號(hào)。

類(lèi)似地，一些應(yīng)用要求運(yùn)算放大器在輸入范圍從V–到V+時(shí)保持精度。這稱為軌到軌輸入（RRI）運(yùn)算放大器。這些運(yùn)算放大器通常組合兩個(gè)差分對(duì)——每個(gè)電源軌一個(gè)。ADA4661是RRI運(yùn)算放大器的典型示例。如圖2所示，它在整個(gè)電源電壓范圍內(nèi)具有出色的精度。

圖2.ADA4661：軌到軌運(yùn)算放大器，典型輸入失調(diào)電壓與共模電壓的關(guān)系。

當(dāng)輸入由兩個(gè)不同的對(duì)組成以創(chuàng)建軌到軌輸入時(shí)，需要權(quán)衡取舍。作為 V厘米從一對(duì)轉(zhuǎn)換到另一對(duì)時(shí)，失調(diào)電壓會(huì)反映一個(gè)小的交越失真。在ADA4661中，可以看到失真幅度約為50 μV，比V+供電軌低約2 V。雖然這在某些系統(tǒng)中可能并不重要，但我們可能需要避免在其他系統(tǒng)中出現(xiàn)這種失真。一種解決方案是設(shè)計(jì)系統(tǒng)，使輸入電壓保持在交越電壓以下。在圖2中，這仍將提供超過(guò)16 V的IVR。具有低電源電壓（例如5 V）的應(yīng)用帶來(lái)了挑戰(zhàn)，因?yàn)槲覀儫o(wú)法在不顯著降低輸入信號(hào)電壓范圍的情況下放棄足夠的IVR（例如2 V）。在該應(yīng)用中，我們需要不同類(lèi)型的輸入級(jí)。

ADA4500使用單個(gè)輸入對(duì)，結(jié)合電荷泵提供更高的內(nèi)部電壓，即使運(yùn)算放大器濾波器位于供電軌上，也能消除交越失真，從而消除交越失真。利用這種結(jié)構(gòu)，傳感器可以在整個(gè)電源范圍內(nèi)驅(qū)動(dòng)運(yùn)算放大器的輸入電壓，而不會(huì)產(chǎn)生交越失真，如圖3所示。同時(shí)，它保證在95°C時(shí)提供120 dB的共模抑制和25 μV的輸入失調(diào)電壓，即使在輸入信號(hào)必須穿過(guò)電源軌時(shí)也能提供出色的精度。

有關(guān)運(yùn)算放大器輸入結(jié)構(gòu)和權(quán)衡的詳細(xì)討論，請(qǐng)參見(jiàn)迷你教程MT-035“運(yùn)算放大器輸入、輸出、單電源和軌到軌問(wèn)題”以及下面列出的其他參考資料。

圖3.ADA4500軌到軌運(yùn)算放大器可消除其整個(gè)電源范圍內(nèi)的失真。

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審核編輯：郭婷