傳感器實(shí)現(xiàn)目標(biāo)需要的精密運(yùn)算放大器選擇方法淺析

作為消費(fèi)、工業(yè)、科學(xué)和其他應(yīng)用的基本組成部分，運(yùn)算放大器是最廣泛應(yīng)用的電子元器件。對(duì)大多數(shù)低端應(yīng)用來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)要求明確，因而元件的選擇也相對(duì)容易。但在用于實(shí)現(xiàn)許多高端傳感器的輸入處理設(shè)計(jì)時(shí)，如何選擇最佳的精密運(yùn)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(lái)許多特別要求時(shí)，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(duì)數(shù)以千計(jì)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(yùn)算放大器的選擇就會(huì)變得特別困難。

在基于傳感器的復(fù)雜應(yīng)用中，設(shè)計(jì)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(yùn)算放大器，同時(shí)還需要考慮成本。具體而言，斬波穩(wěn)定型運(yùn)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(yùn)算放大器通過(guò)持續(xù)運(yùn)行在芯片上實(shí)現(xiàn)的校準(zhǔn)機(jī)制來(lái)達(dá)到高DC精度。

雖然沒(méi)有普遍公式可供遵循，但下面的如何選擇運(yùn)算放大器的例子可幫助實(shí)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(cè)應(yīng)用通常使用非常靈敏的模擬前端傳感器，如應(yīng)變計(jì)，這些傳感器可提供非常精確的測(cè)量結(jié)果，但輸出信號(hào)非常微弱。對(duì)于高精度衡器應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員可能使用橋式傳感器網(wǎng)絡(luò)，其中運(yùn)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(duì)使用。這種先進(jìn)的“自主”設(shè)計(jì)對(duì)運(yùn)算放大器性能具有嚴(yán)格的要求，以便從相對(duì)較大的輸入提取非常弱小的信號(hào)。

為了成功地放大這些弱小信號(hào)，運(yùn)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(hào)不需要軌到軌輸入擺幅）。同樣重要的還有運(yùn)算放大器需要在接近DC狀態(tài)（如0.1Hz~10Hz）時(shí)具有非常穩(wěn)定的超低頻噪聲特征

對(duì)于高精密衡器橋式網(wǎng)絡(luò)傳感器應(yīng)用，設(shè)計(jì)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(gè)零漂移運(yùn)算放大器。

如圖1所示，一個(gè)很好的例子是斬波零漂移ISL28134運(yùn)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(duì)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(jì)，ISL28134L技術(shù)規(guī)格實(shí)際包括10 PPM的最大噪聲增益（七西格瑪）來(lái)提供針對(duì)高增益應(yīng)用的最優(yōu)性能，同時(shí)最小化噪聲增益誤差。

圖1 ISL28134： 0.1Hz 到 10Hz 峰-峰噪聲電壓

對(duì)于便捷式衡器應(yīng)用，低功耗也是一個(gè)需要重要考慮的因素。設(shè)計(jì)人員可考慮采用ISL28133，這款放大器基于斬波穩(wěn)定設(shè)計(jì)，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(diǎn)。對(duì)于其他需要使用更高基準(zhǔn)電壓（如10V而非5V）的應(yīng)變計(jì)應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員可以考慮ISL28217或ISL28227。

電流檢測(cè)和控制應(yīng)用

根據(jù)具體要求的不同，檢測(cè)電流強(qiáng)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(yùn)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(shì)的特點(diǎn)，并且適用范圍廣。

基本而言，分路傳感器技術(shù)是將一個(gè)電阻器置于被測(cè)量電源的線路中。因?yàn)殡娮鑹航禃?huì)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(cè)應(yīng)用中，必須放大相對(duì)較小的電阻差分功率。

因此，運(yùn)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(gè)重要要求，特別是對(duì)電池應(yīng)用的傳感器。嵌入式電流檢測(cè)電路也需要相對(duì)便宜，以便不顯著增加被監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的物料成本。

此外，對(duì)許多工業(yè)、公用事業(yè)和通信電流的檢測(cè)應(yīng)用，運(yùn)算放大器需要在極端溫度或長(zhǎng)期使用條件下的漂移最小。例如，部署在電線桿頂?shù)碾娏鱾鞲衅饔捎诒┞对谙鄬?duì)惡劣的環(huán)境變化中，所以需要提供長(zhǎng)期的穩(wěn)定性能而不產(chǎn)生昂貴的維護(hù)要求。

許多基于分路器的電流檢測(cè)應(yīng)用都采用了運(yùn)算放大器，例如以最小封裝尺寸提供低功耗與高精度的基于斬波的零漂移放大器——ISL28133或ISL28233。此外，如圖2所示，這些斬波穩(wěn)定型CMOS器件在極端溫度和長(zhǎng)期使用條件下提供卓越的低漂移特征。

圖2 將失調(diào)電壓在溫度和時(shí)間上的漂移將到最小化，ISL28133是一款單一斬波穩(wěn)定型運(yùn)算放大器，而ISL28233是同一款放大器的雙器件。

電流檢測(cè)是早已用于許多行業(yè)領(lǐng)域（如消費(fèi)、工業(yè)、通信和公用事業(yè)等）的最普遍應(yīng)用之一，隨著新型電子器件的大量增加和人們對(duì)“綠色”電源管理技術(shù)的日益重視，其重要性日益提高。上文描述的斬波穩(wěn)定型精密運(yùn)算放大器提供極低失調(diào)電壓和失調(diào)偏移、軌到軌輸入和輸出以及低功耗，可滿足日益增加的嵌入式電流檢測(cè)的應(yīng)用需求。

手持式有毒環(huán)境安全監(jiān)測(cè)儀

最后一個(gè)應(yīng)用例子是將大量不同傳感器輸入集中在一個(gè)設(shè)備中，該設(shè)計(jì)表明良好設(shè)計(jì)的運(yùn)算放大器有助于處理緊湊型便攜設(shè)備上的多傳感器信號(hào)鏈。用于監(jiān)測(cè)危險(xiǎn)環(huán)境的手持式設(shè)備越來(lái)越多地采用傳感器以便最小化尺寸和最大化功能。此類設(shè)備可能包含可燃?xì)怏w傳感器、氧傳感器和催化加熱帶傳感器。

如圖3中的框圖所示，使用多個(gè)超低功耗運(yùn)算放大器（如ISL28194）具備針對(duì)小型手持式設(shè)備中多傳感器信號(hào)鏈的優(yōu)勢(shì)。

圖3 多傳感器手持有毒環(huán)境安全檢測(cè)儀

因?yàn)檫@些安全設(shè)備通常需要以全天候模式工作，所以ISL28194超低微功耗特征（最大450nA和 2nA［空閑時(shí)］）支持更長(zhǎng)的電池壽命而不損害性能。ISL28194設(shè)計(jì)為在單電源（1.8V-5.5V）模式下工作，所以適用于由兩節(jié)1.5V堿性電池供電的手持設(shè)備。此外，因?yàn)槎鄠€(gè)ISL28194信號(hào)鏈可作為單個(gè)ADC（ISL26132）的信號(hào)源，所以可以最小化整體系統(tǒng)級(jí)電路的復(fù)雜性和部件數(shù)量。

由于可燃?xì)怏w傳感器、氧傳感器和熱傳感器的建立時(shí)間通常長(zhǎng)達(dá)10秒，所以運(yùn)算放大器的帶寬并不很重要，但它們需要傳感器具有恒定的偏置。另外，和前面所舉的例子一樣，傳感器的輸出大多為非常弱小的信號(hào)，所以運(yùn)算放大器必須在大增益步長(zhǎng)上提供峰-峰噪聲平坦度和漂移特征。

擴(kuò)大運(yùn)算放大器的選擇范圍

作為應(yīng)用最廣泛的電子元件之一，運(yùn)算放大器的使用還會(huì)繼續(xù)增加。隨著提供模擬傳感器功能的設(shè)備越來(lái)—從本文所舉的例子到大量使用運(yùn)動(dòng)、近程、光和其他傳感器的工業(yè)及消費(fèi)設(shè)備，運(yùn)算放大器的使用正在以指數(shù)規(guī)律增加。

像任何良好設(shè)計(jì)的規(guī)范一樣，首要標(biāo)準(zhǔn)始終必須是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作的準(zhǔn)確性和性能目標(biāo)。所以在高增益場(chǎng)合中，低噪聲、低漂移和精密性將始終是成功的重要因素。幸運(yùn)的是，現(xiàn)今可供系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員選擇的精密運(yùn)算放大器更加廣泛，使他們能夠有效地滿足最嚴(yán)格的性能和準(zhǔn)確性要求，并在耗電量、尺寸、部件數(shù)量和整體成本間取得平衡。