問題:

 

我在給一個(gè)精密傳感器模擬前端設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理模塊，我是否應(yīng)該使用軌到軌輸入的運(yùn)放？

 

答案:

 

可能要用，這取決于傳感器輸出信號(hào)是否會(huì)迫使運(yùn)算放大器達(dá)到一個(gè)接近供電軌的電壓。例如，若要通過一個(gè)精密10 Ω并聯(lián)電阻監(jiān)控0 mA至500 mA的負(fù)載電流，則最大輸出電壓將是5 V。如果放大器電源電壓為5 V，那么您將需要選擇一個(gè)具有軌到軌輸入電壓范圍的放大器。

 

許多運(yùn)放的經(jīng)典輸入級(jí)為晶體管差分對(duì)。為使運(yùn)算放大器放大輸入端的共模電壓(VCM)信號(hào)，VCM和電源電壓之間必須有足夠的裕量。如果VCM太接近任一供電軌，以至于輸入對(duì)缺乏裕量，則輸入失調(diào)電壓和其他重要參數(shù)會(huì)降級(jí)，引起精度損失，如圖1所示。正是這些裕量要求規(guī)定了運(yùn)放的額定輸入電壓范圍(IVR)。業(yè)界的一些最高精度放大器（如 ADA4610），即采用這種經(jīng)典輸入結(jié)構(gòu)。只要輸入電壓遠(yuǎn)離供電軌，它便有出色的精度。

 

圖1.ADA4610典型輸入失調(diào)電壓與共模電壓的關(guān)系

 

如果傳感器的輸出信號(hào)不包括V+軌，但其范圍會(huì)一路低到負(fù)供電軌，則它需要一個(gè)能接受VCM也低至V–的放大器。此類運(yùn)放稱為單電源運(yùn)放，因?yàn)閷–接地后，只需要一個(gè)電壓源。單電源運(yùn)放采用特殊電路拓?fù)洌С址糯蠼咏黇–軌的信號(hào)。

 

類似地，有些應(yīng)用要求運(yùn)放能在V–到V+的輸入范圍內(nèi)保持高精度。這稱為軌到軌輸入(RRI)運(yùn)算放大器，此類運(yùn)放通常有兩個(gè)差分對(duì)，一個(gè)軌一對(duì)。ADA4661是RRI運(yùn)放的經(jīng)典范例。如圖2所示，它在整個(gè)電源電壓范圍內(nèi)具有出色的精度。

 

圖2.ADA4661：軌到軌運(yùn)算放大器，典型輸入失調(diào)電壓與共模電壓的關(guān)系

 

當(dāng)輸入由兩個(gè)差分對(duì)組成以實(shí)現(xiàn)軌到軌輸入時(shí)，既有利也有弊。當(dāng)VCM從一個(gè)對(duì)躍遷至另一個(gè)對(duì)時(shí)，會(huì)有一個(gè)小交越失真反映在失調(diào)電壓中。對(duì)于ADA4661，您可以看到失真幅度約為50 μV，發(fā)生在V+軌以下大約2 V。雖然這在某些系統(tǒng)中可能不嚴(yán)重，但在其他系統(tǒng)中，您可能需要避免此失真。一種解決方案是通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)讓輸入電壓保持在交越電壓以下。在圖2中，它仍會(huì)提供16 V以上的IVR。電源電壓較低（例如5 V）的應(yīng)用會(huì)帶來(lái)挑戰(zhàn)，因?yàn)橐艞壸銐虻腎VR（例如2 V），必然會(huì)大幅降低輸入信號(hào)的電壓范圍。在這種應(yīng)用中，我們需要其他類型的輸入級(jí)。

 

ADA4500 通過單個(gè)輸入對(duì)與一個(gè)電荷泵的結(jié)合來(lái)消除交越，從而消除交越失真。電荷泵提供更高的內(nèi)部電壓，使輸入對(duì)有足夠的電源電壓，即使運(yùn)放濾波器位于供電軌也無(wú)妨。利用這種結(jié)構(gòu)，傳感器可以將運(yùn)放輸入電壓驅(qū)動(dòng)到整個(gè)電源電壓范圍內(nèi)而不會(huì)有交越失真，如圖3所示。在這樣做的同時(shí)，它提供95 dB的保證共模抑制性能和120 μV的輸入失調(diào)電壓（25°C時(shí)），即使輸入信號(hào)達(dá)到供電軌也不影響其出色的精度。

 

關(guān)于運(yùn)放輸入結(jié)構(gòu)和利弊的詳細(xì)討論，請(qǐng)參閱小型指南MT-035 "運(yùn)算放大器輸入、輸出、單電源和軌到軌問題" 以及下面列出的其他參考資料。

 

圖3.ADA4500軌到軌運(yùn)算放大器消除整個(gè)電源范圍內(nèi)的失真

 

表1.從經(jīng)典軌到軌運(yùn)放中選擇精密運(yùn)放（所有值的單位均為V）

 

參考文獻(xiàn)

 

ADI公司小型指南MT-035 "運(yùn)算放大器輸入、輸出、單電源和軌到軌問題" 

 

Ardizzoni, John. "單電源放大器——聽起來(lái)很簡(jiǎn)單，但確實(shí)如此嗎？?" 模擬對(duì)話，第38卷，2008年10月。

 

Ardizzoni, John. "放大器裕量是否束縛了您的手腳？" 模擬對(duì)話，第62卷，2010年10月。

 

 

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