精確信號路徑應(yīng)用中的新興技術(shù)

現(xiàn)代應(yīng)用中運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)體對此類要求進行了優(yōu)化，對多款運算放大器進行三種溫度的測試，以確保符合產(chǎn)品規(guī)格。

車用精確運算放大器：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。

消費電子應(yīng)用/便攜式精確運算放大器：消費電子應(yīng)用(如筆記本電腦、藍牙耳機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)用精確運算放大器：醫(yī)療應(yīng)用(如血壓計、透析機和便攜式醫(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。美國國家半導(dǎo)體的高性能精準產(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)體為計量應(yīng)用提供了符合各種儀器標準的多款放大器產(chǎn)品，例如靜電計放大器、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)，這款運算放大器對輸入失調(diào)電壓誤差自動調(diào)零。這實現(xiàn)了長時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，運算放大器的輸入電壓噪聲從100V/V增益時測得的典型值15nV/sqrt Hz下降到1000V/V增益時的11nV/sqrt Hz。此外，這些運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(微機電系統(tǒng))、應(yīng)變計、沉積應(yīng)變計機械偏轉(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度輸出是10mV或更低，因此配備在長時間和各種溫度條件下穩(wěn)定的運算放大器緩沖器十分重要。離散儀器放大器通常用于實現(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)標準的締造者，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)用實例中，其主要目標是在低頻率、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/效率要求來實現(xiàn)。隨著技術(shù)的進步，容許誤差將逐步減小。但校準操作并不簡便，而在當今更須花費成本和時間。目標是設(shè)計在更長時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，但不補償傳感器內(nèi)發(fā)生的漂移。級別4產(chǎn)品補償傳感器內(nèi)的誤差，因為傳感器是整體系統(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或多個參考級別。這僅在某些應(yīng)用程序中可以實現(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算放大器支持精確的信號放大。LMP2021的先進技術(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，例如一般運算放大器、低噪聲運算放大器和低漂移運算放大器。在使用這些部件的電路中，必須通過外部組件實現(xiàn)增益和失調(diào)電壓控制，例如修整電位計或修正電阻器。但通過集成電路的修整能力可以實現(xiàn)更高的精確度。

另一個關(guān)鍵參數(shù)是最大輸入偏置電流值。以LMP2021為例，其優(yōu)點是能提供低偏置電流的CMOS輸入。通過LMP2021可以實現(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)體的精確負偏置發(fā)生器(LM7705)結(jié)合使用放大器后，能為負軌提供真正的零電壓擺幅，實現(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。對于運算放大器，可以通過將LM7705輸出接地或連接到運算放大器的負電壓針腳實現(xiàn)零電壓輸出。現(xiàn)在，LMP2021/22的輸出能夠傳輸?shù)降孛孢_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攝氏度的擴展溫度范圍內(nèi)工作。

發(fā)布者：小宇