前端信號調理系統設計時，相較于分立式解決方案，設計人員往往更傾向于使用應用廣泛的大規模高集成度數據采集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、測量和儀表系統等應用中，設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、失調漂移和輸入偏置電流，并且能夠實現帶寬、噪聲與功耗之間的性能平衡。

對于設計人員而言，使用這些精密器件時必須克服兩大設計挑戰：選擇最適合應用的器件以及充分實現其潛在性能。后者需要深入了解器件操作并正確應用，以免因疏忽導致未能啟用某些精密屬性。

本文以芯熾SC2751(兼容TI的OPAX350)的解決方案為例，介紹精密運算放大器的作用及其設計考慮因素，說明如何選擇并有效應用精密運算放大器。

精密運算放大器的作用

設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模IC，主要是因為只需“校準”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確校準，尤其對于現場系統。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，運算放大器將經調理的信號準確傳送至模擬信號鏈的其余部分，最終送達模數轉換器 (ADC)。此外，精密運算放大器也可用于模擬濾波器，確保相關信號不失真或發生直流偏移。

在這些應用中，運算放大器在時間、溫度和電源軌方面的性能呈線性響應，具有可重復性和穩定性，這一點相當重要。此外，多數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小)，整個響應曲線較為平坦，并實現對最小過沖和瞬時振蕩的快速壓擺。由于許多應用都采用電池供電，因此運算放大器在活動和靜態模式下應當盡量降低功耗。

從精密運算放大器獲取所需的功能

應用運算放大器時，需針對具體器件在各種設計、處理、微調和測試之間取得平衡。而精密運算放大器與標準器件的細微差別在于，設計人員必須確定優先考慮哪些參數和數值，并為每個參數和數值分配相對權重。

如果設計優先考慮較低的電壓噪聲，芯熾的雙通道軌至軌CMOS運算放大器SC2751似乎是更好的選擇。SC2751針對低電壓單電源運行進行了優化，軌至軌輸入和輸出、低噪聲(5nV/√Hz) 和高速運行 (38MHz, 22V/μs) 使得運算放大器非常適合驅動模數 (A/D) 轉換器。而且也適用于手機功率放大器 (PA) 控制環路和視頻處理(75Ω驅動能力)以及音頻和通用應用。

SC2751典型應用電路

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，SC2751器件具有內部壓擺增強電路，可隨反饋誤差電壓上升而提高壓擺率，從而實現階躍輸入信號幅值較大時放大器的快速響應和穩定。

SC2751運行在一個低至2.5V的單電源上，輸入共模電壓范圍介于接地電壓以下300mV至正電源以上300mV之間。10kΩ負載時，輸出電壓可以擺動到電源軌的10mV以內。

由于差分信號可降低噪聲和諧波失真，因而廣泛應用于高性能ADC，而SC2751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換為差分信號。實現這一點正是設計權衡的典型示例：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行單端至差分轉換。前者往往可以確保更優的性能，但成本高于兩個放大器的解決方案。

SC2751兼具兩者之優勢，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。

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，涉及一些典型的權衡和妥協問題。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。

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，使設計復雜化，并且增加噪聲。因此，決定設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。

SC2751作為雙通道運算放大器，設計具有完全獨立的電路，可將串擾降到最低并徹底消除相互作用。

此外，SC2751采用微型MSOP8表面貼裝、SOP8表面貼裝和DIP8封裝，額定溫度范圍為-40°C至85°C，工作溫度范圍為-45°C至125°C，是精密運算放大器應用的理想解決方案。

審核編輯：湯梓紅