前端信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，相較于分立式解決方案，設(shè)計(jì)人員往往更傾向于使用應(yīng)用廣泛的大規(guī)模高集成度數(shù)據(jù)采集 IC，以降低成本和時(shí)間并縮小尺寸和物料清單 (BOM)。不過(guò)，在高性能測(cè)試、測(cè)量和儀表系統(tǒng)等應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員也可以考慮使用分立式運(yùn)算放大器連接專用傳感器作為關(guān)鍵前端組件。

功能單一的精密運(yùn)算放大器屬于專用器件，具有極低的電壓偏移、失調(diào)漂移和輸入偏置電流，并且能夠?qū)崿F(xiàn)帶寬、噪聲與功耗之間的性能平衡。發(fā)燒友公眾號(hào)回復(fù)資料可以免費(fèi)獲取電子資料一份記得留郵箱地址。

對(duì)于設(shè)計(jì)人員而言，使用這些精密器件時(shí)必須克服兩大設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)：選擇最適合應(yīng)用的器件，以及充分實(shí)現(xiàn)其潛在性能。后者需要深入了解器件操作并正確應(yīng)用，以免因疏忽導(dǎo)致未能啟用某些精密屬性。

本文將介紹各種精密運(yùn)算放大器的作用和細(xì)微差別及其設(shè)計(jì)考慮因素，然后，以Analog Devices的解決方案為例，運(yùn)用這些設(shè)計(jì)考慮因素來(lái)說(shuō)明如何選擇并有效應(yīng)用精密運(yùn)算放大器。

精密運(yùn)算放大器的作用

設(shè)計(jì)人員之所以傾向于使用具有較低精度運(yùn)算放大器的大規(guī)模 IC，主要是因?yàn)橹恍琛靶?zhǔn)”運(yùn)算放大器的缺陷，即可確保傳感器通道的性能。然而，這不僅耗費(fèi)時(shí)間，而且傳感器及其通道前端通常難以做到準(zhǔn)確校準(zhǔn)，尤其對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)。只有考慮到精密運(yùn)算放大器的作用，才能體會(huì)這一點(diǎn)的重要性。

精密運(yùn)算放大器主要用于應(yīng)變片、超聲波壓電變送器和光電探測(cè)器等傳感器，用以捕獲輸出信號(hào)，而非加載較弱的傳感器輸出。然后，運(yùn)算放大器將經(jīng)調(diào)理的信號(hào)準(zhǔn)確傳送至模擬信號(hào)鏈的其余部分，最終送達(dá)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。此外，精密運(yùn)算放大器也可用于模擬濾波器，確保相關(guān)信號(hào)不失真或發(fā)生直流偏移。

在這些應(yīng)用中，運(yùn)算放大器在時(shí)間、溫度和電源軌方面的性能呈線性響應(yīng)，具有可重復(fù)性和穩(wěn)定性，這一點(diǎn)相當(dāng)重要。此外，多數(shù)情況下可保持低噪聲（傳感器輸出信號(hào)或其他模擬信號(hào)通常相當(dāng)小），整個(gè)響應(yīng)曲線較為平坦，并實(shí)現(xiàn)對(duì)最小過(guò)沖和瞬時(shí)振蕩的快速壓擺。由于許多應(yīng)用都采用電池供電，因此運(yùn)算放大器在活動(dòng)和靜態(tài)模式下應(yīng)當(dāng)盡量降低功耗。

功能單一的精密運(yùn)算放大器由標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)算放大器符號(hào)表示（圖 1），卻不能顯示專用分立式器件的復(fù)雜性。

圖 1：精密運(yùn)算放大器的原理圖符號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相同，卻無(wú)法顯示這類關(guān)鍵前端信號(hào)處理基本器件的類別、性能或參數(shù)。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

在非精密應(yīng)用中，運(yùn)算放大器的性能參數(shù)往往屬于次級(jí)或三級(jí)考慮因素，而對(duì)于精密運(yùn)算放大器而言卻是優(yōu)先考慮因素。其中包括噪聲（通常以 μV/√Hz 或 nV/√Hz 表示）、輸入補(bǔ)償電壓及其漂移、輸入偏置電流及其漂移，以及增益、帶寬和壓擺率等常見(jiàn)參數(shù)。

輸入補(bǔ)償電壓和輸入偏置電流都值得仔細(xì)研究：

輸入補(bǔ)償電壓指在運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端所施加的直流 (DC) 電壓，以獲得恒定的零電壓輸出。任何補(bǔ)償電壓都會(huì)被運(yùn)算放大器的增益放大，從而導(dǎo)致輸出誤差，這與運(yùn)算放大器的增益設(shè)置有關(guān)。

輸入偏置電流指運(yùn)算放大器輸入端所通過(guò)的微小電流，用于正確偏置其內(nèi)部電路。而問(wèn)題是該電流無(wú)法返回傳感器，因?yàn)檫\(yùn)算放大器的反相和同相輸入偏置電流方向相同，即同時(shí)流入運(yùn)算放大器或同時(shí)流出。

輸入偏置電流的另一個(gè)潛在問(wèn)題在于，可能在連接輸入端的傳感器電阻兩端形成不必要的電壓降。若阻值較小（通常如此），則這一補(bǔ)償電壓尚可忽略不計(jì)；但如果輸入電阻較大，例如 pH 探頭電極的電阻通常達(dá)兆歐級(jí)，那就可能會(huì)造成較為嚴(yán)重的問(wèn)題。

對(duì)于上述兩種以及其他運(yùn)算放大器參數(shù)而言，由溫度引起的漂移也是一個(gè)問(wèn)題。由漂移引起的參數(shù)值變化較難校正，但是標(biāo)稱溫度下的誤差可以通過(guò)手動(dòng)硬件微調(diào)來(lái)補(bǔ)償（雖然會(huì)增加成本，延長(zhǎng)時(shí)間），也可以通過(guò)軟件來(lái)校正。

此外，運(yùn)算放大器也可能因老化和溫度造成性能改變，并且老化值通常無(wú)法預(yù)測(cè)。許多精密運(yùn)算放大器的規(guī)格書(shū)確實(shí)提供了關(guān)鍵參數(shù)的老化值，但老化是隨機(jī)過(guò)程，因此只能以概率值而非確定值來(lái)表示。

實(shí)際上，無(wú)論在何種情況下，要想準(zhǔn)確測(cè)量這類精密器件的輸入補(bǔ)償電壓和偏置電流都相當(dāng)非常困難，有效補(bǔ)償方案的實(shí)現(xiàn)也極具挑戰(zhàn)性。相比之下，只考慮規(guī)格書(shū)內(nèi)容詳盡的產(chǎn)品或許更為合適。通過(guò)規(guī)格書(shū)中包含的眾多圖表，可以了解所有相關(guān)性能和應(yīng)用信息。

從精密運(yùn)算放大器獲取所需的功能

應(yīng)用運(yùn)算放大器時(shí)，需針對(duì)具體器件在各種設(shè)計(jì)、處理、微調(diào)和測(cè)試之間取得平衡。而精密運(yùn)算放大器與標(biāo)準(zhǔn)器件的細(xì)微差別在于，設(shè)計(jì)人員必須確定優(yōu)先考慮哪些參數(shù)和數(shù)值，并為每個(gè)參數(shù)和數(shù)值分配相對(duì)權(quán)重。

我們來(lái)分析一下 Analog Devices 推出的兩個(gè)精密運(yùn)算放大器系列：ADA4805-1單通道和ADA4805-2雙通道器件，以及ADA4896-2雙通道器件。

雖然基本功能大致相同，但確實(shí)存在一些重大差異，兩個(gè)系列的規(guī)格亮點(diǎn)如下表所示（表 1）。如果設(shè)計(jì)優(yōu)先考慮較低的電壓噪聲，ADA4896 似乎是更好的選擇，不過(guò)其電流噪聲和輸入補(bǔ)償電壓均比 ADA4805 系列高。當(dāng)然，除了下列參數(shù)外，這兩系列之間還存在功率、共模電壓等許多其他權(quán)衡因素。

表 1：在電流噪聲和輸入補(bǔ)償電壓等方面，ADA4805 和 ADA4896 精密運(yùn)算放大器系列存在重大差異。（表數(shù)據(jù)來(lái)源：Digi-Key Electronics）

輸出也很重要

雖然輸入特性和性能是評(píng)估精密運(yùn)算放大器的重要因素，但輸出也不容忽視。這些重要因素中就包括壓擺率和輸出擺幅。例如，ADA4805 器件具有內(nèi)部壓擺增強(qiáng)電路，可隨反饋誤差電壓上升而提高壓擺率，從而實(shí)現(xiàn)階躍輸入信號(hào)幅值較大時(shí)放大器的快速響應(yīng)和穩(wěn)定（圖 2）。

圖 2：ADA4805 在選定輸出階躍條件下的階躍響應(yīng)。ADA4805 具有內(nèi)部壓擺增強(qiáng)電路，可隨反饋誤差電壓上升而提高壓擺率，從而實(shí)現(xiàn)階躍輸入信號(hào)幅值較大時(shí)放大器的快速響應(yīng)和穩(wěn)定。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

請(qǐng)謹(jǐn)記，需要由這些運(yùn)算放大器調(diào)理的傳感器信號(hào)大多不是階躍輸入信號(hào)，因?yàn)檫@些傳感器通常是多路復(fù)用的。所以當(dāng)多路復(fù)用器 (mux) 切換通道時(shí)，運(yùn)算放大器可能就會(huì)接收到階躍信號(hào)。ADA4805 器件的壓擺增強(qiáng)功能也會(huì)影響大信號(hào)頻率響應(yīng)，即較大的輸入信號(hào)會(huì)導(dǎo)致峰值略微增加（圖 3）。

圖 3：ADA4805 的頻率響應(yīng)峰值是信號(hào)電平的函數(shù)，此處的增益為 +1。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

ADA4805 放大器斷電時(shí)，輸出進(jìn)入高阻態(tài)，阻抗隨頻率增加而降低。關(guān)斷模式下，ADA4805 器件可在 100 kHz 實(shí)現(xiàn) 62 dB 的正向隔離（圖 4）。

圖 4：ADA4805 的正向/關(guān)斷隔離是頻率的函數(shù)，隨頻率增加而減小。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

由于差分信號(hào)可降低噪聲和諧波失真，因而廣泛應(yīng)用于高性能 ADC，而 ADA4805 等精密運(yùn)算放大器可用于將傳感器固有的單端輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)正是設(shè)計(jì)權(quán)衡的典型示例：要么使用差分放大器，要么配置兩個(gè)完全獨(dú)立的放大器來(lái)執(zhí)行單端至差分轉(zhuǎn)換。前者往往可以確保更優(yōu)的性能，但成本高于兩個(gè)放大器的解決方案。

ADA4805 系列兼具兩者之優(yōu)勢(shì)，輕松解決了這一難題。由于器件固有的低諧波失真、低補(bǔ)償電壓和低偏置電流，差分輸出可與高分辨率 ADC 的性能完美匹配，而成本卻與單個(gè)差分放大器解決方案相差無(wú)幾。

驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載時(shí)，情況會(huì)相對(duì)棘手一點(diǎn)。放大器輸出端的電容會(huì)造成反饋環(huán)路的時(shí)間延遲（相移），若在環(huán)路帶寬內(nèi)，則會(huì)產(chǎn)生過(guò)高的瞬時(shí)振蕩和擺動(dòng)。例如，如 ADA4896-2 的響應(yīng)與增益曲線所示，最大峰值出現(xiàn)在增益為 +2 時(shí)（圖 5）。

圖 5：ADA4896-2 的小信號(hào)頻率響應(yīng)與增益關(guān)系圖顯示其響應(yīng)隨增益的變化（RL= 1 kΩ；G = +1 時(shí)，RF= 0 Ω；否則，RF= 249 Ω）。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

如果不希望出現(xiàn)峰值，標(biāo)準(zhǔn)解決方案是添加低阻值的“緩沖”電阻器，與放大器輸出及其容性負(fù)載串聯(lián)，從而將影響降至最低限度。阻值僅為 100 Ω 的緩沖器即可完全消除響應(yīng)峰值，但由于輸出衰減會(huì)導(dǎo)致閉環(huán)增益降低 0.8 dB，因此設(shè)計(jì)人員需要進(jìn)行利弊權(quán)衡。緩沖電阻器的阻值可在 0 Ω 至 100 Ω 之間調(diào)節(jié)，從而提供可接受的峰值和閉環(huán)增益水平（圖 6）。

圖 6：在輸出端使用緩沖電阻器 (RSNUB) 可降低 ADA4896-2 最差情況頻率響應(yīng)（增益為 +2）的峰值。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

使用增益可選放大器，信號(hào)鏈即可處理各種可能的輸入信號(hào)。傳統(tǒng)的增益可選放大器利用反饋環(huán)路的開(kāi)關(guān)連接反相輸入端。這些開(kāi)關(guān)具有不可避免的小電阻，而該電阻可降低放大器的噪聲性能，并在反相輸入節(jié)點(diǎn)上增加較大的電容，這兩者對(duì)運(yùn)算放大器的低噪聲性能均有不利影響。此外，開(kāi)關(guān)電阻還會(huì)增加非線性增益誤差，從而影響運(yùn)算放大器的性能。

為避免性能下降，設(shè)計(jì)人員可以使用可編程增益開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，保持 ADA4896-2 低至 1 nV/Hz 的噪聲性能，并降低非線性增益誤差（圖 7）。選擇電容最小的開(kāi)關(guān)還可以優(yōu)化電路的帶寬。

圖 7：ADA4896-2 的兩個(gè)通道和 ADG633 模擬開(kāi)關(guān)可用于構(gòu)建低噪聲增益可選放大器，降低非線性增益誤差，驅(qū)動(dòng)低電阻負(fù)載。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

輸入放大器的偏置電流雖小，但可能會(huì)導(dǎo)致輸出偏移，具體取決于增益設(shè)置。但是，由于 ADA4896-2 的輸入放大器和輸出緩沖級(jí)均為單芯片器件，因此兩者的偏置電流高度匹配，很大程度上可利用這一特性來(lái)消除偏移變化。

封裝和布局注意事項(xiàng)

制造精密運(yùn)算放大器不單單只是在半導(dǎo)體芯片上構(gòu)建精心設(shè)計(jì)的電路，還需考慮如何封裝，以及如何應(yīng)用該封裝才能使器件性能與規(guī)格書(shū)中“完美”條件下的性能參數(shù)不相上下。

與精密電壓基準(zhǔn)類似，在運(yùn)算放大器放置和最初焊接過(guò)程中，以及現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)印刷電路板的正常彎曲和振動(dòng)，都會(huì)讓放大器承受微小的機(jī)械應(yīng)力。由此產(chǎn)生的應(yīng)變可能會(huì)導(dǎo)致器件性能產(chǎn)生微小卻顯著的潛在變化，這主要是因?yàn)樾酒w的壓電效應(yīng)以及其他材料特性。

因此，請(qǐng)務(wù)必確保印刷電路板足夠堅(jiān)固，并在必要時(shí)提供額外支撐。在現(xiàn)場(chǎng)使用前甚至有必要使電路板經(jīng)歷數(shù)個(gè)熱循環(huán)以減小可能存在的應(yīng)力。

與多數(shù)模擬電路一樣，尤其是精密電路，布局與接地是決定設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵考慮因素。并聯(lián)使用較大和較小的旁路電容來(lái)繞過(guò)電源至關(guān)重要。通常，旁路電容對(duì)就由 10 μF 電解電容器和 0.1 μF 陶瓷電容器并聯(lián)組成。電路板布局時(shí)，最小值的電容應(yīng)放置在放大器的同一側(cè)，并且盡可能靠近其電源引腳。

單通道與雙通道器件的對(duì)比

在單通道與雙通道精密運(yùn)算放大器之間作選擇，涉及一些典型的權(quán)衡和妥協(xié)問(wèn)題（圖 8）。例如，就功能而言，雙通道器件的封裝尺寸更小，并且由于所需的旁路電容較少，整體電路板占用面積更小。

圖 8：采用 6 引腳 SOT-23 封裝的 ADA4805-1 引腳分配（左圖）；采用 8 引腳 MSOP 封裝的 ADA4805-2 引腳分配（右圖）。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

不過(guò)，如果使用雙通道器件，則低電平輸入信號(hào)印制線可能會(huì)更長(zhǎng)，具體取決于電路原理圖；因而會(huì)占用更多空間，使設(shè)計(jì)復(fù)雜化，并且增加噪聲。因此，決定設(shè)計(jì)使用兩個(gè)單通道器件或是一個(gè)雙通道器件，還須憑借對(duì)各放大器功能的接近程度、IC 總體和相關(guān)無(wú)源器件的占用面積以及電氣性能的評(píng)估來(lái)評(píng)判，而不能只考慮 BOM 的簡(jiǎn)化。

精密運(yùn)算放大器的反直覺(jué)接地規(guī)則

電路板布局設(shè)計(jì)人員常常假定接地面積和接地平面越大越好，但是精密運(yùn)算放大器的接地規(guī)則卻有所不同。

因?yàn)榻拥仄矫媾c輸入和輸出緩沖器之間產(chǎn)生的雜散電容會(huì)對(duì)高速放大器性能產(chǎn)生不利影響，所以避免在精密運(yùn)算放大器的輸入和輸出端下方及周圍區(qū)域布置接地，這一點(diǎn)尤為重要。反相輸入端的雜散電容和放大器的輸入電容，也會(huì)降低相位裕度并導(dǎo)致不穩(wěn)定。而輸出端的雜散電容會(huì)在反饋環(huán)路中形成極點(diǎn)，也會(huì)降低相位裕度并導(dǎo)致電路不穩(wěn)定。

如何開(kāi)始使用精密運(yùn)算放大器

使用供應(yīng)商提供的評(píng)估板，即可輕松領(lǐng)略這些運(yùn)算放大器眾多性能的巧妙之處。所幸，供應(yīng)商產(chǎn)品組合中采用給定封裝的運(yùn)算放大器引腳布局大多已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化（很大程度上算是業(yè)內(nèi)普遍情況），因此只需一塊評(píng)估板即可評(píng)估多種型號(hào)的運(yùn)算放大器。

例如，Analog Devices 的EVAL-HSAMP-2RMZ-8是一款裸板（無(wú)載印刷電路板）。這款六層評(píng)估板可用于 8 引腳 MSOP 封裝的雙通道放大器，輸入和輸出端支持 SMA 邊緣安裝連接器，以便與測(cè)試設(shè)備或其他電路建立高效的寬帶連接（圖 9）。

圖 9：Analog Devices 的 EVAL-HSAMP-2RMZ-8 六層裸板可用于評(píng)估 8 引腳 MSOP 封裝的雙通道運(yùn)算放大器，輸入和輸出端支持 SMA 邊緣安裝連接器。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

評(píng)估板的接地平面和元器件布局旨在最大限度地降低寄生電感和電容，但是這一點(diǎn)無(wú)法只從原理圖中清楚體現(xiàn)（圖 10）。

圖 10：Analog Devices 的 EVAL-HSAMP-2RMZ-8 評(píng)估板原理圖。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

EVAL-HSAMP-2RMZ-8 的原理圖雖顯示了組件間的連接和元器件空間分配，卻沒(méi)有標(biāo)注實(shí)際值。因?yàn)樵撛u(píng)估板是無(wú)載印刷電路板，允許用戶使用與運(yùn)算放大器匹配的無(wú)源器件值，并根據(jù)應(yīng)用需求來(lái)評(píng)估性能。建議評(píng)估板組件主要采用 SMT 0603 外殼尺寸，除旁路電解電容器（C1 和 C2）外，后者采用 1206 外殼尺寸。

總結(jié)

大規(guī)模、高集成度數(shù)據(jù)采集 IC 可以降低成本和時(shí)間，并縮小尺寸和物料清單 (BOM)，但是一些應(yīng)用需要使用分立式精密運(yùn)算放大器。這些功能單一的器件高度專業(yè)化，因而為了充分實(shí)現(xiàn)其潛在性能，選型和設(shè)計(jì)難度劇增。

不過(guò)，充分了解器件選型的諸多考慮因素后，可以加速選擇過(guò)程。選型確定后，還必須考慮上述因素才能正確運(yùn)用精密運(yùn)算放大器，從而避免損害器件的實(shí)際性能，實(shí)現(xiàn)規(guī)格書(shū)中的性能指標(biāo)。此外，通過(guò)評(píng)估板可掌握元器件布置和電路板布局的知識(shí)（原理圖未標(biāo)注具體數(shù)值），這是關(guān)乎設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。

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