為傳感器輸入處理設(shè)計選擇精密運算放大器時的注意事項

作為消費、工業(yè)、科學(xué)和其他應(yīng)用的基本組成部分，運算放大器是最廣泛應(yīng)用的電子元器件。對大多數(shù)低端應(yīng)用來說，設(shè)計要求明確，因而元件的選擇也相對容易。但在用于實現(xiàn)許多高端傳感器的輸入處理設(shè)計時，如何選擇最佳的精密運算放大器卻存在一些挑戰(zhàn)。

在傳感器類型和（或）其使用環(huán)境帶來許多特別要求時，例如超低功耗、低噪聲、零漂移、軌到軌輸入及輸出、可靠的熱穩(wěn)定性和對數(shù)以千計讀數(shù)和（或）在惡劣工作條件下提供一致性能的可再現(xiàn)性，運算放大器的選擇就會變得特別困難。

在基于傳感器的復(fù)雜應(yīng)用中，設(shè)計者需要進(jìn)行多方面考慮，以便獲得規(guī)格與性能最佳組合的精密運算放大器，同時還需要考慮成本。具體而言，斬波穩(wěn)定型運算放大器（零漂移放大器）非常適用于要求超低失調(diào)電壓以及零漂移的應(yīng)用。斬波運算放大器通過持續(xù)運行在芯片上實現(xiàn)的校準(zhǔn)機制來達(dá)到高DC精度。

雖然沒有普遍公式可供遵循，但下面的如何選擇運算放大器的例子可幫助實現(xiàn)重要的應(yīng)用目標(biāo)。

衡器和壓力傳感器

衡器和壓力檢測應(yīng)用通常使用非常靈敏的模擬前端傳感器，如應(yīng)變計，這些傳感器可提供非常精確的測量結(jié)果，但輸出信號非常微弱。對于高精度衡器應(yīng)用，設(shè)計人員可能使用橋式傳感器網(wǎng)絡(luò)，其中運算器與用于提供共模提取和10PPM~20PPM精度的選定增益電阻器配對使用。這種先進(jìn)的“自主”設(shè)計對運算放大器性能具有嚴(yán)格的要求，以便從相對較大的輸入提取非常弱小的信號。

為了成功地放大這些弱小信號，運算放大器必須具有超低輸入失調(diào)電壓和最小失調(diào)溫度漂移，并具有寬增益帶寬和軌到軌輸入/輸出擺幅（當(dāng)然，小輸入信號不需要軌到軌輸入擺幅）。同樣重要的還有運算放大器需要在接近DC狀態(tài)（如0.1Hz~10Hz）時具有非常穩(wěn)定的超低頻噪聲特征

對于高精密衡器橋式網(wǎng)絡(luò)傳感器應(yīng)用，設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)尋找具有極低輸出失調(diào)電壓和低噪聲（1/f-1mHz）的單個零漂移運算放大器。

如圖1所示，一個很好的例子是斬波零漂移ISL28134運算放大器，其可在0.1Hz到10Hz頻率范圍內(nèi)提供卓越噪聲電壓（nV），從而對DC電平提供幾乎平坦的噪聲頻帶。因其內(nèi)部穩(wěn)定的斬波設(shè)計，ISL28134L技術(shù)規(guī)格實際包括10 PPM的最大噪聲增益（七西格瑪）來提供針對高增益應(yīng)用的最優(yōu)性能，同時最小化噪聲增益誤差。


圖1 ISL28134: 0.1Hz 到 10Hz 峰-峰噪聲電壓

對于便捷式衡器應(yīng)用，低功耗也是一個需要重要考慮的因素。設(shè)計人員可考慮采用ISL28133，這款放大器基于斬波穩(wěn)定設(shè)計，綜合了低微功耗（最大25µA）和低失調(diào)電壓（最大6µV）的特征，它可具有直流電平平坦噪聲頻帶以及近于零漂移的特點。對于其他需要使用更高基準(zhǔn)電壓（如10V而非5V）的應(yīng)變計應(yīng)用，設(shè)計人員可以考慮ISL28217或ISL28227。

電流檢測和控制應(yīng)用

根據(jù)具體要求的不同，檢測電流強度的方法很多。其中包括使用電阻器的分路傳感器、霍爾效應(yīng)傳感器以及電流互感器。在本例中，我們將考察應(yīng)用于分路傳感器的運算放大器的要求?，F(xiàn)今的分路傳感器技術(shù)已發(fā)展到具有高精度，并可提供低成本優(yōu)勢的特點，并且適用范圍廣。

基本而言，分路傳感器技術(shù)是將一個電阻器置于被測量電源的線路中。因為電阻壓降會影響功效，所以通常需要使用盡可能小的電阻值。而這就意味在電流檢測應(yīng)用中，必須放大相對較小的電阻差分功率。

因此，運算放大器電路必須提供高共模范圍和高精度。低功耗也是一個重要要求，特別是對電池應(yīng)用的傳感器。嵌入式電流檢測電路也需要相對便宜，以便不顯著增加被監(jiān)測產(chǎn)品的物料成本。