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。

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：

器件型号

第x代

架构

单通道

双通道

四通道

ADA4051-1

ADA4051-2

3^rd

斩波 + ACFB

ADA4528-1

ADA4528-2

3r^d

斩波 + ACFB

AD8628

AD8629

AD8630

2^nd

自稳零 + 斩波

AD8538

AD8539

2^nd

自稳零 + 斩波

AD8638

AD8639

2^nd

自稳零 + 斩波

AD8551

AD8552

AD8554

1^st

自稳零

AD8571

AD8572

AD8574

1^st

自稳零

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。

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，远远超过供电电压的系统的情况并不少见，这对系统设计带来挑战。这些放大器需要具有更宽的电压范围、更稳定的性能，需要集成输入过压保护、片内电磁干扰滤波、更高的静电放电抗扰度特性，以及更高的上电和掉电操作时防闩锁的特性，以改进系统性能、降低成本、提高鲁棒性，同时简化系统设计的复杂度。下面结合ADI近年来推出的几款精密运放解析宽电源及输入电压范围运放特点及应用案例。

ADA4096-2是一款宽电压范围的运算放大器，具有轨到轨输入/输出范围，工作电源范围为3 V至30 V，功耗很低，因而非常适合监控电池使用情况和控制电池充电。除了宽输入范围外，ADA4096-2是业界首款具有±30V以上过压保护的精密运放，具有独特的输入级，拥有过压保护输入和二极管，允许输入电压高于或低于供电轨32 V，而不会发生相位反转或闩锁，非常适合鲁棒的工业应用。

AD8276可采用2.0V至36V的单电源供电，输入范围很宽（输入引脚端的最大电压为-Vs~40V，最小电压为+Vs~-40V，几乎是供电电压的两倍，而AD8278/9的输入范围可以达到供电电压的三倍），在单电源供电下可以输入负信号，使用非常方便。AD8276非常适合用于过程控制、电机控制和电源管理应用中鲁棒的电压和电流感应，该产品至推出开始其单通道低于1美元的前所未有的价格更突显了性价比优势。另外，AD8276的最大静态电源电流为200uA，非常适合电池供电的便携式系统应用。

AD8475是ADI公司去年推出的一款全差分衰减放大器，集成精密增益电阻，可提供精密衰减（0.4或0.8倍）、共模电平转换、单端差分转换及输入过压保护等功能。AD8475在采用5 V单电源供电时，器件能够耐受最高±15 V的工业输入电压。它提供一个完整的接口，使工业电平信号能够直接兼容低压、高性能16位或18位单电源逐次逼近型模数转换器的差分输入范围。

AD8476也是一款全差分精密放大器，结构与AD8475类似，不同点是AD8476增益为1，非常适合用作驱动低功耗、高性能ADC的单端转差分或差分转差分放大器。

标准单端工业信号电平（±5 V、±10 V或0 V至+10 V）与现代高性能16位或18位单电源SAR型ADC的差分输入范围并不直接兼容，需要使用适当的接口驱动电路对工业信号进行衰减、电平转换和差分转换，使其具有与ADC输入要求相匹配的正确幅度和共模电压。

图3所示的电路实现了上述功能。AD8475可提供精密衰减（0.4倍或0.8倍）、共模电平转换、单端差分转换及输入过压保护等功能，这些特性很好地满足了该电路的功能特性需求（注意，这里AD8475采用了5V供电）。

图3：单端转差分ADC驱动器原理示意图。

本文小结：

由于篇幅的限制，本文仅给出了部分代表性的产品。作为全球最大的放大器芯片提供商，ADI提供了最全面、特性丰富的精密运算放大器，无论是低压、高压或是微功耗还是零漂移仪表放大器，数十个系列产品总能找到符合特定信号放大需求的最佳型号。

所有的模拟应用电路设计工程师都希望拥有一款真正理想的放大器——具有无限大开环增益、无限输入阻抗、零偏置电流、零失调电压、无噪声，事实上这也是所有模拟集成电路设计工程师的终极追求。尽管以ADI为代表的全球领先模拟半导体技术提供商在这些前沿技术领域已获得了长足的进步，但市场和客户期望的不断变化导致新挑战层出不穷。在零漂移、宽电源及输入电压范围等关键的技术特性上还有很大的探索空间，ADI将持续为业界推出具有领先特性的精密运算放大器产品，让放大器扮演更加积极、关键的电子系统 “幕后英雄”。

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