为精密传感器模拟前端设计信号调理模块

Daniel Burton

我正在为精密传感器模拟前端设计信号调理模块。我应该使用具有轨到轨输入的运算放大器吗？

答：

可能—这取决于传感器的输出信号是否强制运算放大器达到接近电源轨的电压。例如，如果我们要通过精密0 Ω分流电阻器监控500 mA至10 mA的负载电流，则最大输出将为5 V。如果放大器电源电压为5 V，则需要选择轨到轨输入电压范围的放大器。

许多运算放大器的经典输入级是晶体管差分对。为了使运算放大器放大共模电压（V厘米）信号在输入端，它必须在V之间有足够的电压裕量厘米和电源电压。如果 V厘米足够接近任一电源轨，使输入对耗尽裕量，输入失调电压以及其他关键参数将降低，从而导致精度损失，如图1所示。正是这些裕量要求定义了运算放大器的指定输入电压范围（IVR）。一些业界最高精度的放大器，如ADA4610，具有这种经典的输入结构。只要输入电压远离电源轨，它就具有出色的精度。

图1.ADA4610典型输入失调电压与共模电压的关系

如果传感器的输出信号不包括V+轨，但范围一直到负轨，则需要一个可以接受V的放大器厘米这也去了 V-。这种类型的运算放大器称为单电源，因为通过将V–接地，只需要一个电压源。单电源运算放大器采用特殊的电路拓扑结构，即使信号靠近V–轨，也可以放大信号。

类似地，一些应用要求运算放大器在输入范围从V–到V+时保持精度。这称为轨到轨输入（RRI）运算放大器。这些运算放大器通常组合两个差分对——每个电源轨一个。ADA4661是RRI运算放大器的典型示例。如图2所示，它在整个电源电压范围内具有出色的精度。

图2.ADA4661：轨到轨运算放大器，典型输入失调电压与共模电压的关系。

当输入由两个不同的对组成以创建轨到轨输入时，需要权衡取舍。作为 V厘米从一对转换到另一对时，失调电压会反映一个小的交越失真。在ADA4661中，可以看到失真幅度约为50 μV，比V+供电轨低约2 V。虽然这在某些系统中可能并不重要，但我们可能需要避免在其他系统中出现这种失真。一种解决方案是设计系统，使输入电压保持在交越电压以下。在图2中，这仍将提供超过16 V的IVR。具有低电源电压（例如5 V）的应用带来了挑战，因为我们无法在不显着降低输入信号电压范围的情况下放弃足够的IVR（例如2 V）。在该应用中，我们需要不同类型的输入级。

ADA4500使用单个输入对，结合电荷泵提供更高的内部电压，即使运算放大器滤波器位于供电轨上，也能消除交越失真，从而消除交越失真。利用这种结构，传感器可以在整个电源范围内驱动运算放大器的输入电压，而不会产生交越失真，如图3所示。同时，它保证在95°C时提供120 dB的共模抑制和25 μV的输入失调电压，即使在输入信号必须穿过电源轨时也能提供出色的精度。

有关运算放大器输入结构和权衡的详细讨论，请参见迷你教程MT-035“运算放大器输入、输出、单电源和轨到轨问题”以及下面列出的其他参考资料。

图3.ADA4500轨到轨运算放大器可消除其整个电源范围内的失真。

 

精密运算放大器	V+ 的净空	从 V- 的净空	供应范围	输入结构
ADA4610	2.5	2.5	10 到 36	经典差分对
ADA4522	1.5	0	4，5 到 55	单电源
ADA4622	1	–0.2	10 到 30	单电源
ADA4084	0	0	3 到 30	轨到轨
ADA4661	0	0	3 到 18	轨到轨
ADA4505	0	0	1，8 到 5	零交越失真
ADA4500	0	0	2.7 到 5.5	零交越失真

 

审核编辑：郭婷