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
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摘要：AD875x系列是美國AD公司生產(chǎn)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(diǎn)，可廣泛用于溫度、壓力、應變、電流等精密測量的場(chǎng)合。本文概要介紹了它們的工作原理和幾個(gè)主要應用電路。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/226456.htm關(guān)鍵詞：運算放大器 軌對軌 AD8751 AD8752 AD8754
1 概述
AD875x系列是一類(lèi)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零放大器所提供的功能，并采用AD公司的新拓撲技術(shù)，從而使其具有高精度的特性（并且不需外部電容）。另外，通過(guò)擴展譜自調零技術(shù)。AD875x系列還可消除交流場(chǎng)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、醫用儀器和應變測量?jì)x等對誤差要求極高的儀器中。
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(guò)載恢復時(shí)間：50μs；
●無(wú)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(dòng)輸入電壓：±5.0V；
●靜電保護（ESD，人體模型）：2000V；
●輸出短路至GND的持續時(shí)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定機制來(lái)獲取高精度的CMOS放大器。逢糾正拓撲技術(shù)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(shí)鐘技術(shù)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(shí)不會(huì )引起輸出端誤差的增大。
每個(gè)AD875x運放都包含有兩個(gè)放大器：一個(gè)主放大器和一個(gè)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(gè)倍頻程的頻率都有3dB的衰減。低頻時(shí)，1/f噪聲的存在會(huì )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(huì )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(guò)自校準機制對其進(jìn)行抑制，尤其在噪聲頻率近直流時(shí)，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(gè)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(shí)鐘將產(chǎn)生連續的隨機互調失真（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、精密應變測量系統的電路圖。其中REF192用來(lái)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(diǎn)處。Q1為350Ω的電阻網(wǎng)絡(luò )提供電流驅動(dòng)。A1以滿(mǎn)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(kāi)環(huán)增益和可低至3V的工作電壓等特點(diǎn)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，但該系統的CMRR還可能受到外部電路的影響。圖3即為由AD875x構成的簡(jiǎn)單差動(dòng)放大器。
在理想的差動(dòng)放大器中，可以將電阻值的比值設為：AV=R2/R1=R4/R3,則系統輸出電壓VOUT=AV(V1-V2)。
然而實(shí)際應用中這中個(gè)電阻并不能精確地成比例關(guān)系，共模抑制比也會(huì )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(gè)阻值相等的電阻來(lái)鈄輸出端的差動(dòng)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(huì )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(mǎn)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(gè)具有冷端補償的K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(guò)調節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(jìn)行測量時(shí)，可將R9降至62kΩ。此時(shí)輸出端將會(huì )有5mV/℃的變化，但檢測范圍將擴展至1000℃。
3.4 精密電流計
由于A(yíng)D875x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(jìn)行檢測，且運用AD875中的雙運放可以同時(shí)監控電流和負載回路或進(jìn)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(shí)又能保證測量的精確性。0.1Ω的電阻可對非反相輸入端產(chǎn)生一電壓降，調整放大器的輸出可使該壓降出現在反相輸入端。這樣，流過(guò)R1的電流在流經(jīng)R2，得到的監控輸出為：
VOUT=I2R2RSENSE/R1
以圖6中的參數計算，可得到監控輸出的傳遞函數為2.5V/A。
圖7所示是一個(gè)等效的低端電流監控電路。
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中的參數可以得到輸出從V降低的傳遞函數為-2.5V/A。
3.5 精密電壓比較器
在開(kāi)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(guò)載情況下，上升沿和下降沿分別會(huì )有15μs和8μs的延時(shí)。需注意的是，過(guò)載不要超過(guò)器件的最大差模電壓。
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