精密运放的零漂移和宽电源及输入电压范围技术解析

在计算、通信及消费等常见的电子系统中，处理器/控制器、存储器、电源管理IC等往往是瞩目的焦点器件。与这些热门器件比较而言，运算放大器(运放)显得有些默默无闻。但实际上，运算放大器几乎是任何电子系统的幕后英雄，发挥着基础但又不可替代的作用。

运算放大器应用广泛，其产品类别众多，从功能/特性来看，运算放大器一般包括高速放大器、精密放大器及专用放大器等不同类型。精密运放(带宽低于50 MHz，失调电压=1000 µV )是其中具有广泛应用、工程师接触最多的一个重要类别。运放的分类没有统一的标准，一般地，根据不同应用对运放不同参数的要求，我们可以大致分为低失调电压运放、低偏置电流运放、低噪声运放等。

运放是信号调理的关键部件，可以实现放大、缓冲、驱动、电平移位、有源滤波、I-V转换、V-I转换以及各种数学运算功能（加、减、积分、微分、乘除法等）。在不同的应用中，对功能的不同要求已经催生出许多不同类别的专用放大器，从而实现更高的性能，并简化了设计流程。这些高性能器件包括仪表放大器、电流检测放大器、差分放大器和可编程增益放大器。

对于精密放大器，多年来稳定前行并有望在2012年迅猛发展的两大关键趋势是：零漂移特性和更宽的电源电压及输入电压范围，本文将重点解析这两个重要技术特性及其相关的产品和应用。

零漂移放大器
在许多工业仪表和医疗应用中，传感器产生的输出电压通常很低，需要通过具有高增益和精密直流性能的信号调理电路进行调理。然而，运算放大器的失调电压、漂移和1/f噪声会引入误差，从而影响直流或低频、低电平电压的测量。因此，必须最大程度地降低运放的失调电压和漂移，消除1/f噪声，以实现最佳的信号调理。

零漂移放大器很好地实现了这些要求，能动态地校正失调电压使得失调电压大大降低，并重整噪声密度使1/f噪声消失。零漂移放大器最初用于预期设计寿命10年以上的系统，以及使用高闭环增益(>100)和低频(100 Hz)、低幅度信号的信号链，适用于包括精密电子秤、医疗仪器、精密计量设备和红外/电桥/热电堆传感器接口的应用。另外，与标准放大器相比，零漂移放大器具有将近零的失调电压和更高的开环增益，较高的电源抑制比和共模抑制比。

1. 几种经典零漂移放大器

零漂移放大器通常采用两种技术——自稳零或斩波，这两种技术各有其优缺点，适合不同应用。自稳零采用采样保持技术，由于噪声折回基带，其带内电压噪声较大；斩波使用信号调制和解调技术，具有更低的基带噪声，但在斩波频率及谐波处产生噪声频谱。ADI的零温漂运放有三代产品，采用的技术分别是：自稳零，自稳零+斩波，斩波+自动校正反馈环路，详见下表：

表：ADI零温漂运放产品。

ADI公司推出的ADA4528-1采用斩波+自动校正反馈环路的技术，将斩波频率及谐波处的噪声频谱大大降低。ADA4528-1是迄今业界最低噪声、最低失调漂移的精密零漂移运算放大器，具有轨到轨输入输出摆幅能力。ADA4528-1提供最大2.5µV的低失调电压以及最大0.015µV/˚C的业界最低失调电压漂移，开环增益为140dB，共模抑制比为135 dB，电源抑制比为130 dB。ADA4528-1适合供电电压范围在2.2V至5V的仪器仪表和医疗应用，如热电偶/热电堆、称重传感器和桥式传感器、精密仪器、电子秤、医疗仪器及手持式测试设备等。

除了普通的运放采用自稳零的技术，专用放大器产品也采用了该技术以获得性能的提升。AD8230是采用自稳零技术的一款低漂移精密仪表放大器。自稳零特性使失调电压漂移降至50 nV/˚C以下，在−40℃至+125℃扩展工业温度范围内也能保持高性能。此外，AD8230还具有高共模抑制比——最低值为110dB，能够抑制传感器距仪表较远的测量中的线路噪声；16V轨到轨共模输入范围则可以适应地电位变化幅度达数伏的噪声环境。AD8230的低频噪声保持在最小值3 μV峰峰值，因而成为要求极高直流精密应用的绝佳选择。

AD8217/8/9是采用零漂技术的电流检测放大器，在-40℃至+125℃整个工作温度范围和共模电压范围内，失调漂移典型值为±100nV/℃。器件中还特别进行了设计，使得无论是否存在共模电压，在整个输入差分电压范围内该器件都能保持线性输出，而输入失调电压典型值为±50 μV。

2. 典型应用解析

图2所示电路是一个精密电子秤信号调理系统，它使用一个低功耗缓冲式24位Σ-Δ型ADC AD7791和两个外部零漂移放大器ADA4528-1。该解决方案支持单电源供电，可提供高直流增益。

对于满量程输出为10mV的称重传感器，该电路提供15.3位的无噪声码分辨率。利用本电路可以非常灵活地设计定制低电平信号调理前端，用户可以轻松优化传感器-放大器-转换器组合电路的整体传递函数。来自称重传感器的低电平幅度信号由两个零漂移放大器ADA4528-1放大，放大器连续自行校正任何直流误差，尽可能保持精确。除了低失调电压和漂移外，ADA4528-1也没有1/f噪声，这一重要特性有助于电子秤在直流或低频时进行精确测量。

图2：基于ADA4528-1的精密电子秤信号调理电路。

宽电源及输入电压范围放大器

相对于任何其它系统器件，更宽电源和输入电压范围是精密运算放大器的另一项关键要求，也是对运算放大器的一个更大挑战。在电力系统、汽车或大型电池组的系统中，放大器的输入可能连接到几百伏高压，同时必须仍然在微伏范围内放大信号。此外，越来越多的系统采用更低的电压供电，但输入信号通常并不受系统供电电压的限制，远远超过供电电压