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为传感器输入处理设计选择精密运算放大器时的注意事项

作者:时间:2012-06-13来源:网络收藏

作为消费、工业、科学和其他应用的基本组成部分,是最广泛应用的电子元器件。对大多数低端应用来说,要求明确,因而元件的也相对容易。但在用于实现许多高端时,如何最佳的却存在一些挑战。

类型和(或)其使用环境带来许多特别要求时,例如超低功耗、低噪声、零漂移、轨到轨及输出、可靠的热稳定性和对数以千计读数和(或)在恶劣工作条件下提供一致性能的可再现性,就会变得特别困难。

在基于的复杂应用中,者需要进行多方面考虑,以便获得规格与性能最佳组合的运算,同时还需要考虑成本。具体而言,斩波稳定型运算(零漂移放大器)非常适用于要求超低失调电压以及零漂移的应用。斩波运算放大器通过持续运行在芯片上实现的校准机制来达到高DC精度。

虽然没有普遍公式可供遵循,但下面的如何选择运算放大器的例子可帮助实现重要的应用目标。

衡器和压力

衡器和压力检测应用通常使用非常灵敏的模拟前端,如应变计,这些传感器可提供非常精确的测量结果,但输出信号非常微弱。对于高精度衡器应用,设计人员可能使用桥式传感器网络,其中运算器与用于提供共模提取和10PPM~20PPM精度的选定增益电阻器配对使用。这种先进的“自主”设计对运算放大器性能具有严格的要求,以便从相对较大的提取非常弱小的信号。

为了成功地放大这些弱小信号,运算放大器必须具有超低输入失调电压和最小失调温度漂移,并具有宽增益带宽和轨到轨输入/输出摆幅(当然,小输入信号不需要轨到轨输入摆幅)。同样重要的还有运算放大器需要在接近DC状态(如0.1Hz~10Hz)时具有非常稳定的超低频噪声特征

对于高衡器桥式网络传感器应用,设计人员应当寻找具有极低输出失调电压和低噪声(1/f-1mHz)的单个零漂移运算放大器。

如图1所示,一个很好的例子是斩波零漂移ISL28134运算放大器,其可在0.1Hz到10Hz频率范围内提供卓越噪声电压(nV),从而对DC电平提供几乎平坦的噪声频带。因其内部稳定的斩波设计,ISL28134L技术规格实际包括10 PPM的最大噪声增益(七西格玛)来提供针对高增益应用的最优性能,同时最小化噪声增益误差。


图1 ISL28134: 0.1Hz 到 10Hz 峰-峰噪声电压

对于便捷式衡器应用,低功耗也是一个需要重要考虑的因素。设计人员可考虑采用ISL28133,这款放大器基于斩波稳定设计,综合了低微功耗(最大25µA)和低失调电压(最大6µV)的特征,它可具有直流电平平坦噪声频带以及近于零漂移的特点。对于其他需要使用更高基准电压(如10V而非5V)的应变计应用,设计人员可以考虑ISL28217或ISL28227。

电流检测和控制应用

根据具体要求的不同,检测电流强度的方法很多。其中包括使用电阻器的分路传感器、霍尔效应传感器以及电流互感器。在本例中,我们将考察应用于分路传感器的运算放大器的要求。现今的分路传感器技术已发展到具有高精度,并可提供低成本优势的特点,并且适用范围广。

基本而言,分路传感器技术是将一个电阻器置于被测量电源的线路中。因为电阻压降会影响功效,所以通常需要使用尽可能小的电阻值。而这就意味在电流检测应用中,必须放大相对较小的电阻差分功率。

因此,运算放大器电路必须提供高共模范围和高精度。低功耗也是一个重要要求,特别是对电池应用的传感器。嵌入式电流检测电路也需要相对便宜,以便不显著增加被监测产品的物料成本。

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