Analog Devices的AD5490電化學(xué)前端

過去幾十年，我們對 IC 技術(shù)一直有這樣一種認識，即朝著更高級別的功能集成度方向發(fā)展，這對全數(shù)字和混合信號應(yīng)用而言是一件好事。由于新元器件集成了更多的信號鏈，因此優(yōu)勢更多，例如整體設(shè)計更簡單、互連器件更少、可靠性更高、板空間占用更少、元器件之間的不兼容風(fēng)險消除、功率耗散更低、系統(tǒng)級性能獲得保障、規(guī)格書更加全面，當(dāng)然成本也就更低了。

但是，集成這件事也并非完全一邊倒。相同的供應(yīng)商在單一 IC 中提供高度集成功能的同時，也會推出性能高但功能極少的 IC，如用作基本構(gòu)件的運算放大器。

在某種程度上，這兩方面相互矛盾。畢竟，如果能通過使用更高集成度的器件而“擁有全部”或者至少“擁有更多”功能，為什么要選擇單一功能運算放大器呢？答案很復(fù)雜，這取決于元器件的規(guī)格、相互之間的相對平衡、應(yīng)用、優(yōu)先考慮事項，以及最重要的是，相關(guān)的權(quán)衡和取舍。

盡管存在限制，但仍要進行權(quán)衡以滿足目標，這是工程設(shè)計和專業(yè)知識的核心。在評估集成度更高器件的吸引力時，必須相比能用于構(gòu)建完整系統(tǒng)的高度優(yōu)化單一功能構(gòu)件，就關(guān)鍵參數(shù)存在的任何性能欠缺進行權(quán)衡。我們將使用 Analog Devices 的兩種非常不同的元器件作為示例進行說明。

Analog Devices 的 AD5490 電化學(xué)前端

下面將討論 Analog Devices 最近推出的一種用于恒電位、電流和電壓測量的完整電化學(xué)前端 AD5490，這些測量是電化學(xué)和生物實驗的標準要求（圖 1）。

圖 1：Analog Devices 的 AD5490 是一種電化學(xué)和生物實驗的完整電化學(xué)前端。（圖片來源：Analog Devices）

這款 IC 旨在測量從 50 pA（或 10-12 A）至 3 mA（或 10-3 A）寬廣范圍內(nèi)的傳感器輸出。這種跨度在生物阻抗應(yīng)用中很常見，如評估皮膚和身體阻抗、連續(xù)血糖監(jiān)測以及電池阻抗測試（圖 2）。對于 AD5490，根據(jù)所選的輸入通道，典型輸入偏置電流為 20 或 80 pA。

圖 2：AD5490 針對生化和人體測量進行了優(yōu)化，例如這種高頻四線生物阻抗回路。（圖片來源：Analog Devices）

這是一種精密的復(fù)雜 IC，其規(guī)格書多達 133 頁。若嘗試用分立元器件復(fù)制其電路，則將是一項重大任務(wù)。除了極低的輸入偏置電流外，該 IC 還包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC）、電壓基準、開關(guān)矩陣等。

鑒于所有這些功能，設(shè)計人員為什么不選它呢？畢竟，如果產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)項目目標，那么在手頭已經(jīng)有不會帶來麻煩和挑戰(zhàn)的現(xiàn)成電路情況下，還要嘗試構(gòu)建一個類似的電路，這將是愚蠢且不負責(zé)任的行為。

Analog Devices 的 ADA4530-1 運算放大器

然而，一些應(yīng)用的推動主要是由于需要甚至更低的輸入偏置電流，例如最高性能的靜電計和光學(xué)傳感器。Analog Devices 深知“沒有一種尺寸適合各種應(yīng)用”，因此最近還推出了 ADA4530-1 產(chǎn)品，這是一款毫微微安（fA 或 10?15 A）輸入偏置電流的運算放大器。此外，該產(chǎn)品還包括一個集成防護緩沖器，可防止可能導(dǎo)致意外電流的雜散電位差（圖 3）。

圖 3：ADA4530-1 運算放大器具有毫微微安級的輸入偏置電流，并帶有集成的防護緩沖器連接 （GRD），其作用是防止可能導(dǎo)致意外電流的雜散電位差。（圖片來源：Analog Devices）

即使這種功能簡單的器件也有很多細微差別，詳見其 52 頁的規(guī)格書。輸入偏置電流比 AD5490 前端 IC 小三個數(shù)量級，低溫度系數(shù)高達 60?C 左右（圖 4）。這兩種規(guī)格都非常出色，適合用于需要這些細小但關(guān)鍵屬性的目標應(yīng)用。

圖 4：ADA4530-1 的輸入偏置電流-溫度圖顯示，在高達 55 至 60?C 時保持在 0.1 fA 左右或以下，因此為系統(tǒng)性能帶來穩(wěn)定性且誤差最小。（圖片來源：Analog Devices）

由于重點關(guān)注的一個參數(shù)是極低的偏置電流，因此可用于針對該屬性優(yōu)化的設(shè)計、工藝和制造流程，但可能不太適合其他相關(guān)功能，如 ADC、DAC 或電壓參考。

結(jié)語

一般而言，這種向更高集成度不斷發(fā)展的趨勢對于供應(yīng)商和設(shè)計人員來說都是好事。然而，也有的低級別構(gòu)件針對特定屬性進行了優(yōu)化，仍占有一席之地，如 ADA5430-1。當(dāng)首選從 DC 至 RF 的靈敏低噪聲模擬電路，并且項目也需要混合模擬/數(shù)字或者甚至全數(shù)字功能（如各種類型的處理器和內(nèi)存）時，尤其如此。

如果要決定是選擇集成度更高的產(chǎn)品還是由分立元器件構(gòu)建自己的產(chǎn)品，最好是查看相關(guān)供應(yīng)商的最新產(chǎn)品發(fā)布，因為選擇更新太快。盡管如此，有時一個很普通的、功能單一、高度優(yōu)化的無折中器件對于整體設(shè)計的成功至關(guān)重要。

雖然許多人顯然會從 ADA5430-1 中受益，但他們也必須自己構(gòu)建相關(guān)的電路。這是一種權(quán)衡，他們必須仔細考量，然后決定相關(guān)的挑戰(zhàn)和獲得的益處是否值得。盡管如此，應(yīng)用要求和競爭壓力可能仍會左右他們的決定。