精確信號路徑應用中的新興技術(shù)

現代應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的總體要求(例如低噪聲、低失調電壓、低輸入偏置電流及其他應用相關(guān)參數)，針對各類(lèi)廣泛的精確應用，美國國家半導體對此類(lèi)要求進(jìn)行了優(yōu)化，對多款運算放大器進(jìn)行三種溫度的測試，以確保符合產(chǎn)品規格。

車(chē)用精確運算放大器：汽車(chē)應用(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電壓、低輸入偏置電流和低失調電壓漂移。美國國家半導體可提供更多符合AEC-Q100的器件。還擁有唯一一款經(jīng)過(guò)溫度性能測試的電流感應運算放大器。美國國家半導體提供的最新解決方案使汽車(chē)應用更加高效、安全和環(huán)保。

工業(yè)用精確運算放大器：工業(yè)應用(如感應和檢測、稱(chēng)重衡器、壓力監控和電機控制)需要可調增益和低增益誤差。美國國家半導體精確放大器具備的可靠性、效率和低功耗是其滿(mǎn)足工業(yè)需求的關(guān)鍵因素。

消費電子應用/便攜式精確運算放大器：消費電子應用(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(dòng)電話(huà)及其他無(wú)線(xiàn)設備受到干擾，同時(shí)保證精確的操作。使用美國國家半導體的PowerWise產(chǎn)品后，可以改善消費電子和便攜式電子設備的聲音、顯示和功效。

醫用精確運算放大器：醫療應用(如血壓計、透析機和便攜式醫療儀器)需要具備低噪聲、低失調電壓、高共模抑制比(CMRR)和軌對軌輸入/輸出的特點(diǎn)。美國國家半導體的高性能精準產(chǎn)品為精確、可靠的醫療應用提供了最新解決方案。

儀器用精確運算放大器：儀器應用(如數據采集、數字存儲示波器和頻譜分析儀)要求低失調電壓、高共模抑制比(CMRR)和高電源抑制比(PSRR)以及高轉換速度。美國國家半導體為計量應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(dòng)調零放大器。

新興技術(shù)和趨勢

美國國家半導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(dòng)調零放大器拓展了新的傳感器接口應用范圍。

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(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的應用。

憑借連續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電壓誤差自動(dòng)調零。這實(shí)現了長(cháng)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，這些運算放大器消除了低頻應用中不利的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(kāi)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用的重要參數。EMI輻射是精確應用中日益突出的問(wèn)題。使用5MHz帶寬的LMP2021有助于低頻下的高增益應用，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用，改善了現有斬波穩定放大器帶寬不足的狀況。

以下的例子是信號調節壓力傳感器的一個(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。美國國家半導體用于監控表壓力、絕對壓力、差動(dòng)壓力和真空壓力應用的信號調節解決方案，通常作為壓力、流體、液位、高度壓力和氣壓系統的一部分。

該信號調節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)、應變計、沉積應變計機械偏轉或振動(dòng)元件。

電源電壓的振動(dòng)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(cháng)時(shí)間和各種溫度條件下穩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(shí)現橋式傳感器特有的增益設置。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置不一定是固定的。

圖1顯示的放大器構成精確儀器放大器，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(chǎng)趨勢

美國國家半導體專(zhuān)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(xiàn)，以滿(mǎn)足高速、精確、低電壓和低功率市場(chǎng)的需求。長(cháng)久以來(lái)，美國國家半導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)布更延續了這一趨勢。

“精確”的定義：精確放大器是最大失調電壓小于1mV OT的產(chǎn)品(官方定義)；精確放大器是最大失調電壓小于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。除了低失調電壓以外，“精確”還意味著(zhù)：高CMRR(>110dB)、低Ibias(1pA)、高開(kāi)環(huán)增益(>110dB)、低1/f噪聲、低漂移(TCVos)。

在LMP2021/LMP2022的應用實(shí)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。在高增益應用中具有高有效帶寬。高有效帶寬意味著(zhù)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用中的有用帶寬。很多精確應用需要大于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(zhù)增益配置的增大，有用帶寬減少，從而滿(mǎn)足增益帶寬乘積的頻率值。通過(guò)提供5MHz的寬單位增益帶寬，LMP2021在更高閉環(huán)增益中實(shí)現更佳的精度，并獲得更高的位分辨率。

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

在各種條件下實(shí)現精確性

各種應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，還應在長(cháng)時(shí)間和各種溫度條件下保持高精確性。這必須通過(guò)現代系統的性能/效率要求來(lái)實(shí)現。隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，容許誤差將逐步減小。但校準操作并不簡(jiǎn)便，而在當今更須花費成本和時(shí)間。目標是設計在更長(cháng)時(shí)間和更大溫度范圍內保持高精度的系統。

美國國家半導體對傳感和檢測系統定義了多個(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)品持續校正某些誤差，并在生命周期內自行校正漂移。級別2產(chǎn)品僅持續校正電子裝置內的誤差，但不補償傳感器內發(fā)生的漂移。級別4產(chǎn)品補償傳感器內的誤差，因為傳感器是整體系統的組成部分。

動(dòng)態(tài)失調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。這僅在某些應用程序中可以實(shí)現，因此很難建立級別4系統。

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應用和指定的參數，例如運算放大器輸入級的電壓范圍、應用可以接受的最大輸入偏置電流值、應用信號頻率范圍以及可接受的各溫度條件下失調漂移范圍和各時(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(jìn)技術(shù)和部件內電路能自動(dòng)校正失調和增益漂移等誤差，非常適合于此類(lèi)應用。LMP2021被劃分為級別2構建塊產(chǎn)品。過(guò)去一直使用無(wú)內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(guò)外部組件實(shí)現增益和失調電壓控制，例如修整電位計或修正電阻器。但通過(guò)集成電路的修整能力可以實(shí)現更高的精確度。

另一個(gè)關(guān)鍵參數是最大輸入偏置電流值。以L(fǎng)MP2021為例，其優(yōu)點(diǎn)是能提供低偏置電流的CMOS輸入。通過(guò)LMP2021可以實(shí)現傳感器內具有高串聯(lián)電阻的應用，且無(wú)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是精確應用中日益突出的問(wèn)題。稱(chēng)重衡器中的注入射頻信號可能產(chǎn)生高達1V的輸出失調電壓，從而導致在無(wú)濾波的情況下使ADC的ENOB(有效位數)減小。

此外，可以使用單一電源最大限度增大模數轉換器(ADC)的動(dòng)態(tài)范圍。出于節省成本的考慮，很多系統只使用單一電源供電。美國國家半導體的精確負偏置發(fā)生器(LM7705)結合使用放大器后，能為負軌提供真正的零電壓擺幅，實(shí)現真正的軌對軌能力。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(guò)將LM7705輸出接地或連接到運算放大器的負電壓針腳實(shí)現零電壓輸出?，F在，LMP2021/22的輸出能夠傳輸到地面達到最高4.917V(采用5V系統)。

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(kāi)環(huán)增益(AVOL)，超過(guò)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工作。

發(fā)布者：小宇