精确信号路径应用中的新兴技术

现代应用中运算放大器的主要特征

精确性是对各种直流和交流参数的总体要求(例如低噪声、低失调电压、低输入偏置电流及其他应用相关参数)，针对各类广泛的精确应用，美国国家半导体对此类要求进行了优化，对多款运算放大器进行三种温度的测试，以确保符合产品规格。

车用精确运算放大器：汽车应用(如碰撞检测、有源消声和柴油喷射等电机控制)需要在高电压电源范围下具有低失调电压、低输入偏置电流和低失调电压漂移。美国国家半导体可提供更多符合AEC-Q100的器件。还拥有唯一一款经过温度性能测试的电流感应运算放大器。美国国家半导体提供的最新解决方案使汽车应用更加高效、安全和环保。

工业用精确运算放大器：工业应用(如感应和检测、称重衡器、压力监控和电机控制)需要可调增益和低增益误差。美国国家半导体精确放大器具备的可靠性、效率和低功耗是其满足工业需求的关键因素。

消费电子应用/便携式精确运算放大器：消费电子应用(如笔记本电脑、蓝牙耳机和便携式媒体播放器)要求低功耗。EMI硬化放大器可以防止移动电话及其他无线设备受到干扰，同时保证精确的操作。使用美国国家半导体的PowerWise产品后，可以改善消费电子和便携式电子设备的声音、显示和功效。

医用精确运算放大器：医疗应用(如血压计、透析机和便携式医疗仪器)需要具备低噪声、低失调电压、高共模抑制比(CMRR)和轨对轨输入/输出的特点。美国国家半导体的高性能精准产品为精确、可靠的医疗应用提供了最新解决方案。

仪器用精确运算放大器：仪器应用(如数据采集、数字存储示波器和频谱分析仪)要求低失调电压、高共模抑制比(CMRR)和高电源抑制比(PSRR)以及高转换速度。美国国家半导体为计量应用提供了符合各种仪器标准的多款放大器产品，例如静电计放大器、跨阻电路放大器、斩波放大器和自动调零放大器。

新兴技术和趋势

美国国家半导体的新型零漂移放大器克服了噪声障碍。突破性噪声成形技术为自动调零放大器拓展了新的传感器接口应用范围。

新型零漂移运算放大器提供了业界最低的输入电压噪声(增益为1000V/V时噪声为11nV/sqrt Hz)和高直流精确度，适合于在低频率、低电源电压下工作的传感器接口应用。利用这些新器件，零漂移放大器的性能优点使其首次可用于要求高增益和噪声低于15nV/sqrt Hz的应用。

凭借连续校正电路的突破性噪声成形技术，这款运算放大器对输入失调电压误差自动调零。这实现了长时间和各种温度条件下的不间断精确性，并具有高共模抑制比(CMRR)和高电源抑制比(PSRR)。例如，由于小振幅输入信号在高增益条件下被放大，运算放大器的输入电压噪声从100V/V增益时测得的典型值15nV/sqrt Hz下降到1000V/V增益时的11nV/sqrt Hz。此外，这些运算放大器消除了低频应用中不利的1/f电压误差组件。

LMP2021/22具有集成的电磁干扰(EMI)抑制滤波器，并加入最新开发的LMV83x、LMV85x和LMV86x EMI硬化运算放大器系列。LMP2021/22提供79dB的电磁干扰抑制比(EMIRR)，从而减少外部电源的射频(RF)干扰。

低频下的输入电压噪声成为传感器应用的重要参数。EMI辐射是精确应用中日益突出的问题。使用5MHz带宽的LMP2021有助于低频下的高增益应用，同时不产生噪声脉冲或1/f组件产生的噪声。

低TCVos、低输入电压噪声和带宽组合拓展了新应用，改善了现有斩波稳定放大器带宽不足的状况。

以下的例子是信号调节压力传感器的一个典型解决方案。

压力传感器、压力变换器和压力传送器用于测量气压和液压。美国国家半导体用于监控表压力、绝对压力、差动压力和真空压力应用的信号调节解决方案，通常作为压力、流体、液位、高度压力和气压系统的一部分。

该信号调节解决方案适用于多种压力传感器技术，包括硅压阻或MEMS(微机电系统)、应变计、沉积应变计机械偏转或振动元件。

电源电压的振动与测得的力(电压)密不可分。很多桥式传感器全标度输出是10mV或更低，因此配备在长时间和各种温度条件下稳定的运算放大器缓冲器十分重要。离散仪器放大器通常用于实现桥式传感器特有的增益设置。很多桥式传感器中使用的ADC可以具有1.8V、3V、2.5V或其他参考电压。因此，仪器放大器的增益设置不一定是固定的。

图1显示的放大器构成精确仪器放大器，用于在宽温度范围和信号范围中精确测量信号。

运算放大器的市场趋势

美国国家半导体专注于高性能放大器和比较器，提供完备的运算放大器产品线，以满足高速、精确、低电压和低功率市场的需求。长久以来，美国国家半导体一直是放大器行业标准的缔造者，高级VIP10双极和VIP50 BiCMOS产品的发布更延续了这一趋势。

“精确”的定义：精确放大器是最大失调电压小于1mV OT的产品(官方定义)；精确放大器是最大失调电压小于0.5mV OT，并倾向于小于0.2mV OT的产品(真正定义)。低失调电压对于建立高精度信号非常重要，尤其是对于小信号而言。除了低失调电压以外，“精确”还意味着：高CMRR(>110dB)、低Ibias(<1pA)、高开环增益(>110dB)、低1/f噪声、低漂移(TCVos)。

在LMP2021/LMP2022的应用实例中，其主要目标是在低频率、低Vos和低TCVos、5MHz GBW下具有低噪声。在高增益应用中具有高有效带宽。高有效带宽意味着更小的信号振幅误差。下表显示了所需振幅精度相关的有效带宽。

高带宽的目的是增加高增益应用中的有用带宽。很多精确应用需要大于1的增益。在很多情况下，传感器输出信号在10s毫伏级，需要能支持ADC的放大效果。随着增益配置的增大，有用带宽减少，从而满足增益带宽乘积的频率值。通过提供5MHz的宽单位增益带宽，LMP2021在更高闭环增益中实现更佳的精度，并获得更高的位分辨率。

LMP2021具有5MHz@5V的增益带宽乘积，在系统信号频率为80Hz或更低时可支持18位精确度。这将满足很多近直流应用，如称重衡器及其他低电阻传感器应用。

在各种条件下实现精确性

各种应用始终需要更精确的测量和检测。不仅在初期需要更高的精确性，还应在长时间和各种温度条件下保持高精确性。这必须通过现代系统的性能/效率要求来实现。随着技术的进步，容许误差将逐步减小。但校准操作并不简便，而在当今更须花费成本和时间。目标是设计在更长时间和更大温度范围内保持高精度的系统。

美国国家半导体对传感和检测系统定义了多个精确度等级。精确度范围从1到4，将在以下的表3中详述。

级别2和级别4产品持续校正某些误差，并在生命周期内自行校正漂移。级别2产品仅持续校正电子装置内的误差，但不补偿传感器内发生的漂移。级别4产品补偿传感器内的误差，因为传感器是整体系统的组成部分。

动态失调和增益校对需要能够迫使传感器输入信号为零级别和一个或多个参考级别。这仅在某些应用程序中可以实现，因此很难建立级别4系统。

最佳放大器的选择原则

放大器技术的选择在很大程度上取决于系统应用和指定的参数，例如运算放大器输入级的电压范围、应用可以接受的最大输入偏置电流值、应用信号频率范围以及可接受的各温度条件下失调漂移范围和各时间阶段的漂移。图1中的范例显示了桥式传感器接口。在此应用中，需要具有低漂移和电压噪声运算放大器支持精确的信号放大。LMP2021的先进技术和部件内电路能自动校正失调和增益漂移等误差，非常适合于此类应用。LMP2021被划分为级别2构建块产品。过去一直使用无内部修整或校正装置的部件，例如一般运算放大器、低噪声运算放大器和低漂移运算放大器。在使用这些部件的电路中，必须通过外部组件实现增益和失调电压控制，例如修整电位计或修正电阻器。但通过集成电路的修整能力可以实现更高的精确度。

另一个关键参数是最大输入偏置电流值。以LMP2021为例，其优点是能提供低偏置电流的CMOS输入。通过LMP2021可以实现传感器内具有高串联电阻的应用，且无需传感器负载。如：偏置电流(3pA)产生的传感器阻抗(例如10兆欧姆)电压降是30uV。

EMI是精确应用中日益突出的问题。称重衡器中的注入射频信号可能产生高达1V的输出失调电压，从而导致在无滤波的情况下使ADC的ENOB(有效位数)减小。

此外，可以使用单一电源最大限度增大模数转换器(ADC)的动态范围。出于节省成本的考虑，很多系统只使用单一电源供电。美国国家半导体的精确负偏置发生器(LM7705)结合使用放大器后，能为负轨提供真正的零电压摆幅，实现真正的轨对轨能力。此前输出都存在失真。LM7705产生-0.230V输出电压。对于运算放大器，可以通过将LM7705输出接地或连接到运算放大器的负电压针脚实现零电压输出。现在，LMP2021/22的输出能够传输到地面达到最高4.917V(采用5V系统)。

单路LMP2021和双路LMP2022是零漂移、低噪声、EMI硬化的运算放大器，每摄氏度只有0.004uV的输入失调电压漂移(TCVos)，典型Vos为0.4uV。两种装置都在2.2V到5.5V的电源电压范围内工作，提供5MHz的增益带宽(GBW)，每通道仅消耗1.1mA电流。LMP2021/22运算放大器提供160dB开环增益(AVOL)，超过139dB CMRR和130dB PSRR的性能。两种装置均可以在-40摄氏度到125摄氏度的扩展温度范围内工作。

发布者：小宇