精確信號路徑應(yīng)用中的新興技術(shù)

現(xiàn)代應(yīng)用中運(yùn)算放大器的主要特征

精確性是對各種直流和交流參數(shù)的總體要求(例如低噪聲、低失調(diào)電壓、低輸入偏置電流及其他應(yīng)用相關(guān)參數(shù))，針對各類廣泛的精確應(yīng)用，美國國家半導(dǎo)體對此類要求進(jìn)行了優(yōu)化，對多款運(yùn)算放大器進(jìn)行三種溫度的測試，以確保符合產(chǎn)品規(guī)格。

車用精確運(yùn)算放大器：汽車應(yīng)用(如碰撞檢測、有源消聲和柴油噴射等電機(jī)控制)需要在高電壓電源范圍下具有低失調(diào)電壓、低輸入偏置電流和低失調(diào)電壓漂移。美國國家半導(dǎo)體可提供更多符合AEC-Q100的器件。還擁有唯一一款經(jīng)過溫度性能測試的電流感應(yīng)運(yùn)算放大器。美國國家半導(dǎo)體提供的最新解決方案使汽車應(yīng)用更加高效、安全和環(huán)保。

工業(yè)用精確運(yùn)算放大器：工業(yè)應(yīng)用(如感應(yīng)和檢測、稱重衡器、壓力監(jiān)控和電機(jī)控制)需要可調(diào)增益和低增益誤差。美國國家半導(dǎo)體精確放大器具備的可靠性、效率和低功耗是其滿足工業(yè)需求的關(guān)鍵因素。

消費(fèi)電子應(yīng)用/便攜式精確運(yùn)算放大器：消費(fèi)電子應(yīng)用(如筆記本電腦、藍(lán)牙耳機(jī)和便攜式媒體播放器)要求低功耗。EMI硬化放大器可以防止移動電話及其他無線設(shè)備受到干擾，同時(shí)保證精確的操作。使用美國國家半導(dǎo)體的PowerWise產(chǎn)品后，可以改善消費(fèi)電子和便攜式電子設(shè)備的聲音、顯示和功效。

醫(yī)用精確運(yùn)算放大器：醫(yī)療應(yīng)用(如血壓計(jì)、透析機(jī)和便攜式醫(yī)療儀器)需要具備低噪聲、低失調(diào)電壓、高共模抑制比(CMRR)和軌對軌輸入/輸出的特點(diǎn)。美國國家半導(dǎo)體的高性能精準(zhǔn)產(chǎn)品為精確、可靠的醫(yī)療應(yīng)用提供了最新解決方案。

儀器用精確運(yùn)算放大器：儀器應(yīng)用(如數(shù)據(jù)采集、數(shù)字存儲示波器和頻譜分析儀)要求低失調(diào)電壓、高共模抑制比(CMRR)和高電源抑制比(PSRR)以及高轉(zhuǎn)換速度。美國國家半導(dǎo)體為計(jì)量應(yīng)用提供了符合各種儀器標(biāo)準(zhǔn)的多款放大器產(chǎn)品，例如靜電計(jì)放大器、跨阻電路放大器、斬波放大器和自動調(diào)零放大器。

新興技術(shù)和趨勢

美國國家半導(dǎo)體的新型零漂移放大器克服了噪聲障礙。突破性噪聲成形技術(shù)為自動調(diào)零放大器拓展了新的傳感器接口應(yīng)用范圍。

新型零漂移運(yùn)算放大器提供了業(yè)界最低的輸入電壓噪聲(增益為1000V/V時(shí)噪聲為11nV/sqrt Hz)和高直流精確度，適合于在低頻率、低電源電壓下工作的傳感器接口應(yīng)用。利用這些新器件，零漂移放大器的性能優(yōu)點(diǎn)使其首次可用于要求高增益和噪聲低于15nV/sqrt Hz的應(yīng)用。

憑借連續(xù)校正電路的突破性噪聲成形技術(shù)，這款運(yùn)算放大器對輸入失調(diào)電壓誤差自動調(diào)零。這實(shí)現(xiàn)了長時(shí)間和各種溫度條件下的不間斷精確性，并具有高共模抑制比(CMRR)和高電源抑制比(PSRR)。例如，由于小振幅輸入信號在高增益條件下被放大，運(yùn)算放大器的輸入電壓噪聲從100V/V增益時(shí)測得的典型值15nV/sqrt Hz下降到1000V/V增益時(shí)的11nV/sqrt Hz。此外，這些運(yùn)算放大器消除了低頻應(yīng)用中不利的1/f電壓誤差組件。

LMP2021/22具有集成的電磁干擾(EMI)抑制濾波器，并加入最新開發(fā)的LMV83x、LMV85x和LMV86x EMI硬化運(yùn)算放大器系列。LMP2021/22提供79dB的電磁干擾抑制比(EMIRR)，從而減少外部電源的射頻(RF)干擾。

低頻下的輸入電壓噪聲成為傳感器應(yīng)用的重要參數(shù)。EMI輻射是精確應(yīng)用中日益突出的問題。使用5MHz帶寬的LMP2021有助于低頻下的高增益應(yīng)用，同時(shí)不產(chǎn)生噪聲脈沖或1/f組件產(chǎn)生的噪聲。

低TCVos、低輸入電壓噪聲和帶寬組合拓展了新應(yīng)用，改善了現(xiàn)有斬波穩(wěn)定放大器帶寬不足的狀況。

以下的例子是信號調(diào)節(jié)壓力傳感器的一個(gè)典型解決方案。

壓力傳感器、壓力變換器和壓力傳送器用于測量氣壓和液壓。美國國家半導(dǎo)體用于監(jiān)控表壓力、絕對壓力、差動壓力和真空壓力應(yīng)用的信號調(diào)節(jié)解決方案，通常作為壓力、流體、液位、高度壓力和氣壓系統(tǒng)的一部分。

該信號調(diào)節(jié)解決方案適用于多種壓力傳感器技術(shù)，包括硅壓阻或MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))、應(yīng)變計(jì)、沉積應(yīng)變計(jì)機(jī)械偏轉(zhuǎn)或振動元件。

電源電壓的振動與測得的力(電壓)密不可分。很多橋式傳感器全標(biāo)度輸出是10mV或更低，因此配備在長時(shí)間和各種溫度條件下穩(wěn)定的運(yùn)算放大器緩沖器十分重要。離散儀器放大器通常用于實(shí)現(xiàn)橋式傳感器特有的增益設(shè)置。很多橋式傳感器中使用的ADC可以具有1.8V、3V、2.5V或其他參考電壓。因此，儀器放大器的增益設(shè)置不一定是固定的。

圖1顯示的放大器構(gòu)成精確儀器放大器，用于在寬溫度范圍和信號范圍中精確測量信號。

運(yùn)算放大器的市場趨勢

美國國家半導(dǎo)體專注于高性能放大器和比較器，提供完備的運(yùn)算放大器產(chǎn)品線，以滿足高速、精確、低電壓和低功率市場的需求。長久以來，美國國家半導(dǎo)體一直是放大器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的締造者，高級VIP10雙極和VIP50 BiCMOS產(chǎn)品的發(fā)布更延續(xù)了這一趨勢。

“精確”的定義：精確放大器是最大失調(diào)電壓小于1mV OT的產(chǎn)品(官方定義)；精確放大器是最大失調(diào)電壓小于0.5mV OT，并傾向于小于0.2mV OT的產(chǎn)品(真正定義)。低失調(diào)電壓對于建立高精度信號非常重要，尤其是對于小信號而言。除了低失調(diào)電壓以外，“精確”還意味著：高CMRR(>110dB)、低Ibias(1pA)、高開環(huán)增益(>110dB)、低1/f噪聲、低漂移(TCVos)。

在LMP2021/LMP2022的應(yīng)用實(shí)例中，其主要目標(biāo)是在低頻率、低Vos和低TCVos、5MHz GBW下具有低噪聲。在高增益應(yīng)用中具有高有效帶寬。高有效帶寬意味著更小的信號振幅誤差。下表顯示了所需振幅精度相關(guān)的有效帶寬。

高帶寬的目的是增加高增益應(yīng)用中的有用帶寬。很多精確應(yīng)用需要大于1的增益。在很多情況下，傳感器輸出信號在10s毫伏級，需要能支持ADC的放大效果。隨著增益配置的增大，有用帶寬減少，從而滿足增益帶寬乘積的頻率值。通過提供5MHz的寬單位增益帶寬，LMP2021在更高閉環(huán)增益中實(shí)現(xiàn)更佳的精度，并獲得更高的位分辨率。

LMP2021具有5MHz@5V的增益帶寬乘積，在系統(tǒng)信號頻率為80Hz或更低時(shí)可支持18位精確度。這將滿足很多近直流應(yīng)用，如稱重衡器及其他低電阻傳感器應(yīng)用。

在各種條件下實(shí)現(xiàn)精確性

各種應(yīng)用始終需要更精確的測量和檢測。不僅在初期需要更高的精確性，還應(yīng)在長時(shí)間和各種溫度條件下保持高精確性。這必須通過現(xiàn)代系統(tǒng)的性能/效率要求來實(shí)現(xiàn)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，容許誤差將逐步減小。但校準(zhǔn)操作并不簡便，而在當(dāng)今更須花費(fèi)成本和時(shí)間。目標(biāo)是設(shè)計(jì)在更長時(shí)間和更大溫度范圍內(nèi)保持高精度的系統(tǒng)。

美國國家半導(dǎo)體對傳感和檢測系統(tǒng)定義了多個(gè)精確度等級。精確度范圍從1到4，將在以下的表3中詳述。

級別2和級別4產(chǎn)品持續(xù)校正某些誤差，并在生命周期內(nèi)自行校正漂移。級別2產(chǎn)品僅持續(xù)校正電子裝置內(nèi)的誤差，但不補(bǔ)償傳感器內(nèi)發(fā)生的漂移。級別4產(chǎn)品補(bǔ)償傳感器內(nèi)的誤差，因?yàn)閭鞲衅魇钦w系統(tǒng)的組成部分。

動態(tài)失調(diào)和增益校對需要能夠迫使傳感器輸入信號為零級別和一個(gè)或多個(gè)參考級別。這僅在某些應(yīng)用程序中可以實(shí)現(xiàn)，因此很難建立級別4系統(tǒng)。

最佳放大器的選擇原則

放大器技術(shù)的選擇在很大程度上取決于系統(tǒng)應(yīng)用和指定的參數(shù)，例如運(yùn)算放大器輸入級的電壓范圍、應(yīng)用可以接受的最大輸入偏置電流值、應(yīng)用信號頻率范圍以及可接受的各溫度條件下失調(diào)漂移范圍和各時(shí)間階段的漂移。圖1中的范例顯示了橋式傳感器接口。在此應(yīng)用中，需要具有低漂移和電壓噪聲運(yùn)算放大器支持精確的信號放大。LMP2021的先進(jìn)技術(shù)和部件內(nèi)電路能自動校正失調(diào)和增益漂移等誤差，非常適合于此類應(yīng)用。LMP2021被劃分為級別2構(gòu)建塊產(chǎn)品。過去一直使用無內(nèi)部修整或校正裝置的部件，例如一般運(yùn)算放大器、低噪聲運(yùn)算放大器和低漂移運(yùn)算放大器。在使用這些部件的電路中，必須通過外部組件實(shí)現(xiàn)增益和失調(diào)電壓控制，例如修整電位計(jì)或修正電阻器。但通過集成電路的修整能力可以實(shí)現(xiàn)更高的精確度。

另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是最大輸入偏置電流值。以LMP2021為例，其優(yōu)點(diǎn)是能提供低偏置電流的CMOS輸入。通過LMP2021可以實(shí)現(xiàn)傳感器內(nèi)具有高串聯(lián)電阻的應(yīng)用，且無需傳感器負(fù)載。如：偏置電流(3pA)產(chǎn)生的傳感器阻抗(例如10兆歐姆)電壓降是30uV。

EMI是精確應(yīng)用中日益突出的問題。稱重衡器中的注入射頻信號可能產(chǎn)生高達(dá)1V的輸出失調(diào)電壓，從而導(dǎo)致在無濾波的情況下使ADC的ENOB(有效位數(shù))減小。

此外，可以使用單一電源最大限度增大模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的動態(tài)范圍。出于節(jié)省成本的考慮，很多系統(tǒng)只使用單一電源供電。美國國家半導(dǎo)體的精確負(fù)偏置發(fā)生器(LM7705)結(jié)合使用放大器后，能為負(fù)軌提供真正的零電壓擺幅，實(shí)現(xiàn)真正的軌對軌能力。此前輸出都存在失真。LM7705產(chǎn)生-0.230V輸出電壓。對于運(yùn)算放大器，可以通過將LM7705輸出接地或連接到運(yùn)算放大器的負(fù)電壓針腳實(shí)現(xiàn)零電壓輸出?，F(xiàn)在，LMP2021/22的輸出能夠傳輸?shù)降孛孢_(dá)到最高4.917V(采用5V系統(tǒng))。

單路LMP2021和雙路LMP2022是零漂移、低噪聲、EMI硬化的運(yùn)算放大器，每攝氏度只有0.004uV的輸入失調(diào)電壓漂移(TCVos)，典型Vos為0.4uV。兩種裝置都在2.2V到5.5V的電源電壓范圍內(nèi)工作，提供5MHz的增益帶寬(GBW)，每通道僅消耗1.1mA電流。LMP2021/22運(yùn)算放大器提供160dB開環(huán)增益(AVOL)，超過139dB CMRR和130dB PSRR的性能。兩種裝置均可以在-40攝氏度到125攝氏度的擴(kuò)展溫度范圍內(nèi)工作。

發(fā)布者：小宇