問題:

 

我在給一個精密傳感器模擬前端設(shè)計信號調(diào)理模塊，我是否應(yīng)該使用軌到軌輸入的運放？

 

答案:

 

可能要用，這取決于傳感器輸出信號是否會迫使運算放大器達到一個接近供電軌的電壓。例如，若要通過一個精密10 Ω并聯(lián)電阻監(jiān)控0 mA至500 mA的負載電流，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具有軌到軌輸入電壓范圍的放大器。

 

許多運放的經(jīng)典輸入級為晶體管差分對。為使運算放大器放大輸入端的共模電壓(VCM)信號，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，以至于輸入對缺乏裕量，則輸入失調(diào)電壓和其他重要參數(shù)會降級，引起精度損失，如圖1所示。正是這些裕量要求規(guī)定了運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不包括V+軌，但其范圍會一路低到負供電軌，則它需要一個能接受VCM也低至V–的放大器。此類運放稱為單電源運放，因為將V–接地后，只需要一個電壓源。單電源運放采用特殊電路拓撲，支持放大接近V–軌的信號。

 

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

 

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

 

當(dāng)輸入由兩個差分對組成以實現(xiàn)軌到軌輸入時，既有利也有弊。當(dāng)VCM從一個對躍遷至另一個對時，會有一個小交越失真反映在失調(diào)電壓中。對于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)計讓輸入電壓保持在交越電壓以下。在圖2中，它仍會提供16 V以上的IVR。電源電壓較低（例如5 V）的應(yīng)用會帶來挑戰(zhàn)，因為要放棄足夠的IVR（例如2 V），必然會大幅降低輸入信號的電壓范圍。在這種應(yīng)用中，我們需要其他類型的輸入級。

 

ADA4500 通過單個輸入對與一個電荷泵的結(jié)合來消除交越，從而消除交越失真。電荷泵提供更高的內(nèi)部電壓，使輸入對有足夠的電源電壓，即使運放濾波器位于供電軌也無妨。利用這種結(jié)構(gòu)，傳感器可以將運放輸入電壓驅(qū)動到整個電源電壓范圍內(nèi)而不會有交越失真，如圖3所示。在這樣做的同時，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），即使輸入信號達到供電軌也不影響其出色的精度。

 

關(guān)于運放輸入結(jié)構(gòu)和利弊的詳細討論，請參閱小型指南MT-035 "運算放大器輸入、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軌到軌運算放大器消除整個電源范圍內(nèi)的失真

 

表1.從經(jīng)典軌到軌運放中選擇精密運放（所有值的單位均為V）

 

參考文獻

 

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

 

Ardizzoni, John. "單電源放大器——聽起來很簡單，但確實如此嗎？?" 模擬對話，第38卷，2008年10月。

 

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

 

 

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