單電源緩沖器電路的實(shí)際設(shè)計(jì)

　　本系列的第5部分將著重討論“實(shí)際”應(yīng)用，我們到目前為止所學(xué)會(huì)的技巧和經(jīng)驗(yàn)都將得到應(yīng)用，幫助我們方便地穩(wěn)定一個(gè)復(fù)雜的電路。我們將設(shè)計(jì)一個(gè)通用單電源緩沖放大器（將2.1V 緩沖至4.1V 參考），5V 單電源供電使它能夠線性地工作，可提供較大的輸出電流（》13mA），并在 -40°C 至 +125°C 工作溫度范圍的飄移為0.4V。雖然可將該電路用于許多應(yīng)用中，但我們?nèi)詫⒑喴榻B一下促使給出這個(gè)設(shè)計(jì)的原因，并解釋為何沒有現(xiàn)成的電路可用來完成此項(xiàng)工作。我們這里采用綜合技術(shù)來開發(fā)器件網(wǎng)絡(luò)，以提供一個(gè)證明對(duì)許多運(yùn)放應(yīng)用都有益的穩(wěn)定電路。

　　技術(shù)背景：

　　在實(shí)際應(yīng)用中，惠斯通電橋的一個(gè)常見應(yīng)用就是壓力測(cè)量。如圖5.1 所示，隨著所加壓力變化，很多這種壓力傳感器都具有明顯的二階非線性特性。

　　圖5.1 典型實(shí)際傳感器輸出比所加壓力

　　圖字（上、下）：室溫下電橋輸出與壓力關(guān)系、理想傳感器、實(shí)際傳感器；

　　坐標(biāo)軸字： X 軸：壓力、Y 軸：Vexc=1V 時(shí)的電橋輸出（V/V 或Vbridge）

　　除了隨所加壓力變化而產(chǎn)生的非線性外，許多壓力傳感器隨溫度變化在偏移量和范圍上也有非線性特性。用來校

　　正這些誤差的一種現(xiàn)代解決方法是在壓力傳感器中內(nèi)置電子電路，然后將電子電路與壓力傳感器作為一個(gè)模塊，

　　隨著溫度的變化進(jìn)行數(shù)字校準(zhǔn)。一種適用于此類用途的IC是由德州儀器公司提供的Burr-Brown產(chǎn)品PGA309（如

　　圖5.2 所示）。此輸出電壓已經(jīng)過數(shù)字校準(zhǔn)的傳感器，其信號(hào)調(diào)整IC包含有一個(gè)模擬傳感器線性化電路，該電路

　　將輸出電壓的一部分反饋至傳感器的電壓激勵(lì)引腳，從而以20:1 的改良比例對(duì)二階非線性進(jìn)行線性化。因此，

　　VEXC引腳將隨傳感器所加壓力的變化而對(duì)其電壓進(jìn)行調(diào)整。此電路的一個(gè)局限就是其傳感器激勵(lì)引腳VEXC，在工

　　作溫度范圍內(nèi)限制在5mA最大輸出電流上。這里我們遇到了一個(gè)兩難的境地，即如何用一個(gè)阻抗來激勵(lì)要求電流

　　超過5mA的傳感器。

　　圖 5.2：現(xiàn)代數(shù)字校準(zhǔn)傳感器信號(hào)調(diào)整器

　　圖字（左右、上下）：非線性電傳式感器、線性化電路、參考、模擬傳感器線性化電路、線性化DAC、故障監(jiān)視器、自動(dòng)零點(diǎn)PGIA、過/欠刻度限幅器、模擬信號(hào)調(diào)整電路、外部溫度、數(shù)字溫度補(bǔ)償、內(nèi)部溫度、溫度ADC、控制寄存器接口電路、線性Vout、數(shù)字計(jì)算。

　　設(shè)計(jì)要求：

　　圖5.3 詳細(xì)給出了主要的設(shè)計(jì)指標(biāo)。我們希望用一個(gè)容差為10%的5V電源來供電。我們需要一個(gè)統(tǒng)一增益緩沖器，因?yàn)槲覀儾幌Ｍ赑GA309 線性化環(huán)路中引入任何誤差。由于PGA309 在VEXC引腳上有很寬的可編程范圍，因此我們需要容納從2.1V至4.1V的電壓范圍。我們最小的傳感器阻值為300Ω。因此，對(duì)于最大4.1V的輸出電壓，我們至少需要提供13.6mA的電流。PGA309 線性化電路具有大約35 kHz的帶寬。由于環(huán)路閉合的方式，我們的緩沖器帶寬至少要等于或大于線性化環(huán)路的帶寬。我們將目標(biāo)定為100kHz的小信號(hào)閉環(huán)帶寬。對(duì)于我們感興趣的傳感器應(yīng)用來說，大信號(hào)響應(yīng)若有1V/μs的擺動(dòng)速率就足夠了。該設(shè)計(jì)在從 -40°C 至 +125°C的溫度范圍內(nèi)應(yīng)該是穩(wěn)定工作的。因?yàn)槲覀儾幌Ｍ捎诰彌_器的原因而在最后應(yīng)用電路中引入任何額外的誤差，因此我們需要一個(gè)在運(yùn)放共模輸入范圍內(nèi)不會(huì)有任何交叉失真的電路。我們將簡要討論一下這個(gè)問題，因?yàn)樗鼛缀鯇?duì)所有CMOS單電源軌至軌輸入 （RRI） 運(yùn)放來說都是一個(gè)問題。

　　圖5.3 單電源、大電流緩沖器指標(biāo)