零漂移、單電源、軌對軌輸入/輸出運算放大器AD8751/8752/8754的原理及應用

摘要：AD875x系列是美國AD公司生產的高精度軌對軌運算放大器，具有零漂移、單電源供電、軌對軌輸入/輸出等特點，可廣泛用于溫度、壓力、應變、電流等精密測量的場合。本文概要介紹了它們的工作原理和幾個主要應用電路。

關鍵詞：運算放大器 軌對軌 AD8751 AD8752 AD8754

1 概述

AD875x系列是一類具有極低失調電流、漂移電流和偏置電流的軌對軌輸入/輸出運算放大器，該系列中AD8751、AD8752和AD8754分別是單運放、雙運放和四運放，它們均可在2.7～5V之間的單電源下工作。AD875x系列具有自調零或折波穩(wěn)零放大器所提供的功能，并采用AD公司的新拓撲技術，從而使其具有高精度的特性（并且不需外部電容）。另外，通過擴展譜自調零技術。AD875x系列還可消除交流場合中斬波與信號頻率之間的互調效應。適用于位置、壓力傳感器、溫度傳感器、精度電路檢測、熱電偶放大器、醫(yī)用儀器和應變測量儀等對誤差要求極高的儀器中。

單運放AD8751采用8腳MSOP封裝和窄8腳SOIC兩種封裝，雙運放AD8752采用8腳窄SO和8腳TSSOP封裝，四運放AD8754采用14腳TSSOP封裝。圖1所示為AD875x系列管腳圖排列。

AD975x系列運算放大器的主要特性如下：

●低失調電壓：1μV；

●低輸入失調漂移：0.005μV/℃；

●具有軌對軌輸入輸出的擺幅；

●采用2.7～5V單電源供電；

●高增益，CMRR，PSRR：130dB；

●極小的輸入偏置電流：20pA；

●低供電電流：750μA/Op Amp;

●低過載恢復時間：50μs；

●無需外部電容。

AD875x系列運算放大器的部分極限值為：

●電源電壓：6V；

●輸入電壓：GND～Vs+0.3V；

●差動輸入電壓：±5.0V；

●靜電保護（ESD，人體模型）：2000V；

●輸出短路至GND的持續(xù)時間：不限；

●存儲溫度范圍（RM，RU和R封裝）：-65℃～150℃；

●工作溫度范圍（AD8751A、AD8752A和AD8754A）：-40℃～+125℃；

●片芯溫度范圍（RM，RU和R封裝）：-65℃～+150℃；

●焊接溫度范圍（60秒）：300℃。

2 工作原理

AD875x系列放大器是采用隨機頻率自調零穩(wěn)定機制來獲取高精度的CMOS放大器。逢糾正拓撲技術使得AD875x系列可以在相當寬的溫度范圍內保持很低的失調電壓（典型值為1μV），而隨機自調零時鐘技術消除了放大器輸出端的互調失真（IMD）誤差，這兩者的結合避免了放大器在高增益設計的同時不會引起輸出端誤差的增大。

每個AD875x運放都包含有兩個放大器：一個主放大器和一個作為自調零用的從放大器。兩放大器有兩種工作模式：自調零階段和放大輸出階段。

自調零放大器具有消除1/f噪聲的能力。1/f噪聲是存在于半導體器件的因有噪聲，對每個倍頻程的頻率都有3dB的衰減。低頻時，1/f噪聲的存在會對子頻或直流精度造成較大的偏差。而作為自校準運放的AD875x則不會增加低頻下的1/f噪聲，并且能將低頻噪聲當作緩慢變化的失調誤差，通過自校準機制對其進行抑制，尤其在噪聲頻率近直流時，其抑制效果則更好。

AD875x作為普通運放可獲取高達1MHz的單位增益帶寬。在一個2kHz～4kHz的偽隨機發(fā)生器的作用下，器件自調零的校準頻率不斷變化。AD875x的隨機性的自調零時鐘將產生連續(xù)的隨機互調失真（IMD），但這種失真可以以平方根和的形式與放大器的電壓噪聲自然混合，從而使輸出端免受（IMD）的干擾。

3 主要應用

3.1 5V應變測量電路

圖2所示為AD875x用于單電源、精密應變測量系統(tǒng)的電路圖。其中REF192用來為A2提供2.5V的精確參考電壓，A2將該電壓提升到4V并加到測定應變的電阻橋的上端點處。Q1為350Ω的電阻網絡提供電流驅動。A1以滿刻度的方式將電橋輸出放大至[2(R1+R2)]/RB(R為負載電池的電阻)。

3.2 3V儀用放大器

AD875x系列具有的高共模抑制。高開環(huán)增益和可低至3V的工作電壓等特點使之可用作分立的單電源儀用放大器中的運放。AD875x的供模抑制比大于120dB，但該系統(tǒng)的CMRR還可能受到外部電路的影響。圖3即為由AD875x構成的簡單差動放大器。

在理想的差動放大器中，可以將電阻值的比值設為：AV=R2/R1=R4/R3,則系統(tǒng)輸出電壓VOUT=AV(V1-V2)。

然而實際應用中這中個電阻并不能精確地成比例關系，共模抑制比也會受到影響而導致下降。圖3中理論上的共模抑制比應為：

CMRR=(R1R4=2R2R4+R2R3)/（2R1R4-2R2R3）

在圖4所示的三運放儀用放大器結果中，用四個阻值相等的電阻來鈄輸出端的差動放大順設置為單位增益。如果電阻值誤差為δ，則該儀用放大器的CMRR最小值為：CMRRMIN=14/2δ

即使1%的阻值誤差也會使CMRR的偏差達0.02（34dB），因此要想使圖4的電路獲得高共模抑制比，就有必須采用高精度的電阻或附加微調電阻。其中微調電阻的阻值應調至滿足CMRR計算公式中分母近似為零，只有這樣，才可以得到最高的共模抑制比。

3.3 高精度熱電偶放大器

圖5所示為一個具有冷端補償?shù)腒型熱電阻放大器。既使在5V電源供電的情況下，在0℃～500℃的工范圍內，AD8751同樣可獲得高于0.02℃的精度。D1用于檢測溫度以補償與熱電偶的冷端誤差，因此需放置得越近越好。熱電偶的一端浸泡于0℃的冰水混合物中，通過調節(jié)R6使輸出為0V，且輸出能以10mV/℃的靈敏度跟蹤溫度的變化。當對更大范的溫度進行測量時，可將R9降至62kΩ。此時輸出端將會有5mV/℃的變化，但檢測范圍將擴展至1000℃。

3.4 精密電流計

由于AD875x在低輸入偏置電流和單電源下具有極好的失調電壓，從而使其在精密電流的監(jiān)測中成為一理想的放大器。軌對軌的輸入特性使AD875x可對高端或低端的電流進行檢測，且運用AD875中的雙運放可以同時監(jiān)控電流和負載回路或進行失真檢測。圖6為一高端電流檢測的設計電路，圖中運放的輸入共模電壓非常接近其正電源電壓，同時又能保證測量的精確性。0.1Ω的電阻可對非反相輸入端產生一電壓降，調整放大器的輸出可使該壓降出現(xiàn)在反相輸入端。這樣，流過R1的電流在流經R2，得到的監(jiān)控輸出為：

VOUT=I2R2RSENSE/R1

以圖6中的參數(shù)計算，可得到監(jiān)控輸出的傳遞函數(shù)為2.5V/A。

圖7所示是一個等效的低端電流監(jiān)控電路。圖中，AD8572的輸入電壓接近或等于地。同樣，0.1Ω的電阻用于提供正比于返回電流的電壓。其輸出電壓為：

VOUT=VLRSENSER2/R1

利用圖7中的參數(shù)可以得到輸出從V降低的傳遞函數(shù)為-2.5V/A。

3.5 精密電壓比較器

在開環(huán)工作狀態(tài)下，AD875x的偏置電壓小于50μV，因此可用作精密的電壓比較器。在50mV的過載情況下，上升沿和下降沿分別會有15μs和8μs的延時。需注意的是，過載不要超過器件的最大差模電壓。