為傳感器輸入處理設計選擇精密運算放大器時(shí)的注意事項

作為消費、工業(yè)、科學(xué)和其他應用的基本組成部分，運算放大器是最廣泛應用的電子元器件。對大多數低端應用來(lái)說(shuō)，設計要求明確，因而元件的選擇也相對容易。但在用于實(shí)現許多高端傳感器的輸入處理設計時(shí)，如何選擇最佳的精密運算放大器卻存在一些挑戰。

在傳感器類(lèi)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、可靠的熱穩定性和對數以千計讀數和（或）在惡劣工作條件下提供一致性能的可再現性，運算放大器的選擇就會(huì )變得特別困難。

在基于傳感器的復雜應用中，設計者需要進(jìn)行多方面考慮，以便獲得規格與性能最佳組合的精密運算放大器，同時(shí)還需要考慮成本。具體而言，斬波穩定型運算放大器（零漂移放大器）非常適用于要求超低失調電壓以及零漂移的應用。斬波運算放大器通過(guò)持續運行在芯片上實(shí)現的校準機制來(lái)達到高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算放大器的例子可幫助實(shí)現重要的應用目標。

衡器和壓力傳感器

衡器和壓力檢測應用通常使用非常靈敏的模擬前端傳感器，如應變計，這些傳感器可提供非常精確的測量結果，但輸出信號非常微弱。對于高精度衡器應用，設計人員可能使用橋式傳感器網(wǎng)絡(luò )，其中運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使用。這種先進(jìn)的“自主”設計對運算放大器性能具有嚴格的要求，以便從相對較大的輸入提取非常弱小的信號。

為了成功地放大這些弱小信號，運算放大器必須具有超低輸入失調電壓和最小失調溫度漂移，并具有寬增益帶寬和軌到軌輸入/輸出擺幅（當然，小輸入信號不需要軌到軌輸入擺幅）。同樣重要的還有運算放大器需要在接近DC狀態(tài)（如0.1Hz~10Hz）時(shí)具有非常穩定的超低頻噪聲特征

對于高精密衡器橋式網(wǎng)絡(luò )傳感器應用，設計人員應當尋找具有極低輸出失調電壓和低噪聲（1/f-1mHz）的單個(gè)零漂移運算放大器。

如圖1所示，一個(gè)很好的例子是斬波零漂移ISL28134運算放大器，其可在0.1Hz到10Hz頻率范圍內提供卓越噪聲電壓（nV），從而對DC電平提供幾乎平坦的噪聲頻帶。因其內部穩定的斬波設計，ISL28134L技術(shù)規格實(shí)際包括10 PPM的最大噪聲增益（七西格瑪）來(lái)提供針對高增益應用的最優(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

對于便捷式衡器應用，低功耗也是一個(gè)需要重要考慮的因素。設計人員可考慮采用ISL28133，這款放大器基于斬波穩定設計，綜合了低微功耗（最大25µA）和低失調電壓（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)。對于其他需要使用更高基準電壓（如10V而非5V）的應變計應用，設計人員可以考慮ISL28217或ISL28227。

電流檢測和控制應用

根據具體要求的不同，檢測電流強度的方法很多。其中包括使用電阻器的分路傳感器、霍爾效應傳感器以及電流互感器。在本例中，我們將考察應用于分路傳感器的運算放大器的要求?，F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)電阻器置于被測量電源的線(xiàn)路中。因為電阻壓降會(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應用中，必須放大相對較小的電阻差分功率。

因此，運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，特別是對電池應用的傳感器。嵌入式電流檢測電路也需要相對便宜，以便不顯著(zhù)增加被監測產(chǎn)品的物料成本。