前端信號調(diào)理系統(tǒng)設(shè)計時，相較于分立式解決方案，設(shè)計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，以降低成本和時間并縮小尺寸和物料清單 (BOM)。不過，在高性能測試、測量和儀表系統(tǒng)等應(yīng)用中，設(shè)計人員也可以考慮使用分立式運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)燒友公眾號回復(fù)資料可以免費獲取電子資料一份記得留郵箱地址。

對于設(shè)計人員而言，使用這些精密器件時必須克服兩大設(shè)計挑戰(zhàn)：選擇最適合應(yīng)用的器件，以及充分實現(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算放大器的作用和細(xì)微差別及其設(shè)計考慮因素，然后，以Analog Devices的解決方案為例，運用這些設(shè)計考慮因素來說明如何選擇并有效應(yīng)用精密運算放大器。

精密運算放大器的作用

設(shè)計人員之所以傾向于使用具有較低精度運算放大器的大規(guī)模 IC，主要是因為只需“校準(zhǔn)”運算放大器的缺陷，即可確保傳感器通道的性能。然而，這不僅耗費時間，而且傳感器及其通道前端通常難以做到準(zhǔn)確校準(zhǔn)，尤其對于現(xiàn)場系統(tǒng)。只有考慮到精密運算放大器的作用，才能體會這一點的重要性。

精密運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器等傳感器，用以捕獲輸出信號，而非加載較弱的傳感器輸出。然后，運算放大器將經(jīng)調(diào)理的信號準(zhǔn)確傳送至模擬信號鏈的其余部分，最終送達(dá)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。此外，精密運算放大器也可用于模擬濾波器，確保相關(guān)信號不失真或發(fā)生直流偏移。

在這些應(yīng)用中，運算放大器在時間、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（傳感器輸出信號或其他模擬信號通常相當(dāng)小），整個響應(yīng)曲線較為平坦，并實現(xiàn)對最小過沖和瞬時振蕩的快速壓擺。由于許多應(yīng)用都采用電池供電，因此運算放大器在活動和靜態(tài)模式下應(yīng)當(dāng)盡量降低功耗。

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

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

在非精密應(yīng)用中，運算放大器的性能參數(shù)往往屬于次級或三級考慮因素，而對于精密運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參數(shù)。

輸入補償電壓和輸入偏置電流都值得仔細(xì)研究：

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

輸入偏置電流指運算放大器輸入端所通過的微小電流，用于正確偏置其內(nèi)部電路。而問題是該電流無法返回傳感器，因為運算放大器的反相和同相輸入偏置電流方向相同，即同時流入運算放大器或同時流出。

輸入偏置電流的另一個潛在問題在于，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），則這一補償電壓尚可忽略不計；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，那就可能會造成較為嚴(yán)重的問題。

對于上述兩種以及其他運算放大器參數(shù)而言，由溫度引起的漂移也是一個問題。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手動硬件微調(diào)來補償（雖然會增加成本，延長時間），也可以通過軟件來校正。

此外，運算放大器也可能因老化和溫度造成性能改變，并且老化值通常無法預(yù)測。許多精密運算放大器的規(guī)格書確實提供了關(guān)鍵參數(shù)的老化值，但老化是隨機過程，因此只能以概率值而非確定值來表示。

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

從精密運算放大器獲取所需的功能

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

我們來分析一下 Analog Devices 推出的兩個精密運算放大器系列：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，但確實存在一些重大差異，兩個系列的規(guī)格亮點如下表所示（表 1）。如果設(shè)計優(yōu)先考慮較低的電壓噪聲，ADA4896 似乎是更好的選擇，不過其電流噪聲和輸入補償電壓均比 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償電壓等方面，ADA4805 和 ADA4896 精密運算放大器系列存在重大差異。（表數(shù)據(jù)來源：Digi-Key Electronics）

輸出也很重要

雖然輸入特性和性能是評估精密運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)部壓擺增強電路，可隨反饋誤差電壓上升而提高壓擺率，從而實現(xiàn)階躍輸入信號幅值較大時放大器的快速響應(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)部壓擺增強電路，可隨反饋誤差電壓上升而提高壓擺率，從而實現(xiàn)階躍輸入信號幅值較大時放大器的快速響應(yīng)和穩(wěn)定。（圖片來源：Analog Devices）

請謹(jǐn)記，需要由這些運算放大器調(diào)理的傳感器信號大多不是階躍輸入信號，因為這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，運算放大器可能就會接收到階躍信號。ADA4805 器件的壓擺增強功能也會影響大信號頻率響應(yīng)，即較大的輸入信號會導(dǎo)致峰值略微增加（圖 3）。

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

ADA4805 放大器斷電時，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。（圖片來源：Analog Devices）

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

ADA4805 系列兼具兩者之優(yōu)勢，輕松解決了這一難題。由于器件固有的低諧波失真、低補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，而成本卻與單個差分放大器解決方案相差無幾。

驅(qū)動容性負(fù)載時，情況會相對棘手一點。放大器輸出端的電容會造成反饋環(huán)路的時間延遲（相移），若在環(huán)路帶寬內(nèi)，則會產(chǎn)生過高的瞬時振蕩和擺動。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（圖 5）。

圖 5：ADA4896-2 的小信號頻率響應(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，RF= 0 Ω；否則，RF= 249 Ω）。（圖片來源：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，但由于輸出衰減會導(dǎo)致閉環(huán)增益降低 0.8 dB，因此設(shè)計人員需要進(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。（圖片來源：Analog Devices）

使用增益可選放大器，信號鏈即可處理各種可能的輸入信號。傳統(tǒng)的增益可選放大器利用反饋環(huán)路的開關(guān)連接反相輸入端。這些開關(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)點上增加較大的電容，這兩者對運算放大器的低噪聲性能均有不利影響。此外，開關(guān)電阻還會增加非線性增益誤差，從而影響運算放大器的性能。

為避免性能下降，設(shè)計人員可以使用可編程增益開關(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）。選擇電容最小的開關(guān)還可以優(yōu)化電路的帶寬。

圖 7：ADA4896-2 的兩個通道和 ADG633 模擬開關(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)動低電阻負(fù)載。（圖片來源：Analog Devices）

輸入放大器的偏置電流雖小，但可能會導(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消除偏移變化。

封裝和布局注意事項

制造精密運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，在運算放大器放置和最初焊接過程中，以及現(xiàn)場工作時印刷電路板的正常彎曲和振動，都會讓放大器承受微小的機械應(yīng)力。由此產(chǎn)生的應(yīng)變可能會導(dǎo)致器件性能產(chǎn)生微小卻顯著的潛在變化，這主要是因為芯片晶體的壓電效應(yīng)以及其他材料特性。

因此，請務(wù)必確保印刷電路板足夠堅固，并在必要時提供額外支撐。在現(xiàn)場使用前甚至有必要使電路板經(jīng)歷數(shù)個熱循環(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繞過電源至關(guān)重要。通常，旁路電容對就由 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，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比

在單通道與雙通道精密運算放大器之間作選擇，涉及一些典型的權(quán)衡和妥協(xié)問題（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）。（圖片來源：Analog Devices）

不過，如果使用雙通道器件，則低電平輸入信號印制線可能會更長，具體取決于電路原理圖；因而會占用更多空間，使設(shè)計復(fù)雜化，并且增加噪聲。因此，決定設(shè)計使用兩個單通道器件或是一個雙通道器件，還須憑借對各放大器功能的接近程度、IC 總體和相關(guān)無源器件的占用面積以及電氣性能的評估來評判，而不能只考慮 BOM 的簡化。

精密運算放大器的反直覺接地規(guī)則

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

因為接地平面與輸入和輸出緩沖器之間產(chǎn)生的雜散電容會對高速放大器性能產(chǎn)生不利影響，所以避免在精密運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，也會降低相位裕度并導(dǎo)致不穩(wěn)定。而輸出端的雜散電容會在反饋環(huán)路中形成極點，也會降低相位裕度并導(dǎo)致電路不穩(wěn)定。

如何開始使用精密運算放大器

使用供應(yīng)商提供的評估板，即可輕松領(lǐng)略這些運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），因此只需一塊評估板即可評估多種型號的運算放大器。

例如，Analog Devices 的EVAL-HSAMP-2RMZ-8是一款裸板（無載印刷電路板）。這款六層評估板可用于 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 六層裸板可用于評估 8 引腳 MSOP 封裝的雙通道運算放大器，輸入和輸出端支持 SMA 邊緣安裝連接器。（圖片來源：Analog Devices）

評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，但是這一點無法只從原理圖中清楚體現(xiàn)（圖 10）。

圖 10：Analog Devices 的 EVAL-HSAMP-2RMZ-8 評估板原理圖。（圖片來源：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，卻沒有標(biāo)注實際值。因為該評估板是無載印刷電路板，允許用戶使用與運算放大器匹配的無源器件值，并根據(jù)應(yīng)用需求來評估性能。建議評估板組件主要采用 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，因而為了充分實現(xiàn)其潛在性能，選型和設(shè)計難度劇增。

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

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