零漂移放大器——非接觸式溫度測量的應用

零漂移放大器可以動態(tài)校正其失調電壓（VOS）并重塑其噪聲密度，主要用于精密測量以實現(xiàn)最佳性能。常用的零漂移放大器類型包括自穩(wěn)零架構和斬波穩(wěn)定架構，均可實現(xiàn)納伏級（＜1μV）失調電壓和極低的失調溫度漂移及失調時間漂移。通常來說，斬波放大器更適合用于直流或低頻應用，而自穩(wěn)零放大器則適用于更大帶寬的應用。零漂移放大器為設計人員提供了許多好處，幫助他們消除了溫度漂移和1/f（頻率相關）噪聲，而這些噪聲一直困擾著用戶系統(tǒng)。然而，零漂移放大器是采用數字電路動態(tài)校正模擬失調誤差的復合放大器，其精密性能需要付出一定的代價，這也是不存在理想放大器的原因之一。當使用零漂移放大器時，必須考慮的應用問題包括電荷注入、時鐘饋通、互調失真和過載恢復時間。

Linearin零漂移放大器LTC855x、LTC833x系列采用專利技術和優(yōu)化的電路拓撲結構，具有極低的失調電壓、溫漂系數和電壓噪聲，并具備極高的開環(huán)增益、共模抑制比（CMRR）和電源抑制比（PSRR），實現(xiàn)了傳感器小信號調理所需的高精度水平。此外，Linearin專利的連續(xù)共模反饋控制使得這些器件具有更快的階躍響應性能，有效降低了信號輸出的差錯；內部專有技術的高性能時序電路，用以實現(xiàn)這些器件的持久穩(wěn)定運行。LTC855x、LTC833x系列零漂移放大器可適用于預期設計壽命超過十年的用戶系統(tǒng)，特別是用于處理低頻、低幅度小信號時使用高閉環(huán)增益（例如，＞100dB）的信號鏈設計。典型應用案例包括：精密電流檢測、醫(yī)療儀器、電子秤、精密計量設備以及熱電堆傳感器接口等。

用于非接觸式溫度測量的熱電堆傳感器是由串聯(lián)（或偶爾并聯(lián)）的大量熱電偶組成。串聯(lián)熱電偶的輸出電壓取決于熱電偶結與基準結之間的溫度差，該原理稱為塞貝克效應。熱電堆傳感器一般具有較高的阻抗，典型值60kΩ～115kΩ，輸出電壓相對較小，從幾百微伏（μV）到幾毫伏（mV）。醫(yī)用級耳溫計、 額溫槍等設備的最大測量誤差一般要求為±0.2℃，運行環(huán)境溫度范圍16℃～35℃，測量溫度顯示范圍35℃～42℃。對于大多數熱電堆傳感器來說，±12℃對應的輸出電壓信號變化一般在14μV～20μV之間，因此，熱電堆傳感器的接口放大電路需要高增益和極低的失調與漂移，以避免直流誤差。

LTC855x系列零漂移放大器具有8μV“最大”失調電壓和40nV/℃“最大”溫漂特性，這對于16℃至35℃的“最大”應用環(huán)境溫度變化僅會產生≤0.76μV的漂移量。由于每個設備上所使用放大器的失調電壓可以在設備出廠前被校準，因此，放大器的溫漂特性對用戶設備的測量精度影響更為重要。LTC855x系列零漂移放大器在16℃至35℃“最大”變化所可能產生“最大”0.76μV偏移量，遠低于醫(yī)用級±0.2℃精度要求所對應的熱電堆傳感器的輸出典型值（14μV～20μV），這對于提高用戶設備的測量精度尤為重要。

如下圖所示，本電路是一個完整基于熱電堆傳感器的接口電路，其采用了LTC8552零漂移放大器。LTC8552在1kHz下的電壓噪聲頻譜密度僅為19nV/√Hz ，遠低于35～40nV/√Hz的熱電堆電壓噪聲密度。本電路適用于耳溫計、額溫槍等醫(yī)用級體溫測量設備以及工業(yè)測溫儀等應用。

本電路設計步驟

確定增益電阻R1、R2的阻值。為了使用較低值的增益設置電阻以降低反饋至輸出端的電流噪聲，R1阻值一般不易過大，建議的R1阻值在220?至2k?，本電路選擇R1=1k?。然后，根據放大倍數要求選定R2阻值。

該放大電路傳遞函數為：VO=VREF VTP×(1R2/R1)

在反饋電阻R2上并聯(lián)電容C2，以限制信號帶寬來降低反饋至輸出端的饋通及噪聲。由于測溫電路接近于DC應用，該電路的帶寬可由R2和C2來限定：fP=1/(2Π×R2×C2)

為了使兩輸入端上的源阻抗及CIN匹配，以使得饋通最小化，IN+輸入端增加R3和對地連接的C3，并且，應使得R3=R1阻值，C3=C2容值。

為使得放大級之后建立RC濾波以獲得更穩(wěn)定的輸出信號，在輸出端連接R4及對地連接的C4。

為更好的利用放大器的線性輸出工作范圍以及利用ADC的滿量程來獲得更高分辨率的信號，通常在IN-端提供一個VREF偏置電壓。VREF可以采用LDO或基準電壓芯片來產生，可以通過電阻分壓的方式產生。

通過電阻分壓的方式來獲得VREF雖然成本較低，但是，如果將分壓產生的VREF直接施加在輸入端的電阻上時，流經R1的電流將會分流到分壓電阻上而引起VREF發(fā)生變化。VREF誤差將對輸出產生影響，由此會影響到系統(tǒng)測量的準確性（即引起額外的溫度測量偏差）。

本電路采用LTC8552的一路放大器來驅動VREF以提高系統(tǒng)測量的準確性。