Daniel Burton

我正在為精密傳感器模擬前端設計信號調(diào)理模塊。我應該使用具有軌到軌輸入的運算放大器嗎？

答：

可能—這取決于傳感器的輸出信號是否強制運算放大器達到接近電源軌的電壓。例如，如果我們要通過精密0 Ω分流電阻器監(jiān)控500 mA至10 mA的負載電流，則最大輸出將為5 V。如果放大器電源電壓為5 V，則需要選擇軌到軌輸入電壓范圍的放大器。

許多運算放大器的經(jīng)典輸入級是晶體管差分對。為了使運算放大器放大共模電壓（V厘米）信號在輸入端，它必須在V之間有足夠的電壓裕量厘米和電源電壓。如果 V厘米足夠接近任一電源軌，使輸入對耗盡裕量，輸入失調(diào)電壓以及其他關鍵參數(shù)將降低，從而導致精度損失，如圖1所示。正是這些裕量要求定義了運算放大器的指定輸入電壓范圍（IVR）。一些業(yè)界最高精度的放大器，如ADA4610，具有這種經(jīng)典的輸入結構。只要輸入電壓遠離電源軌，它就具有出色的精度。

圖1.ADA4610典型輸入失調(diào)電壓與共模電壓的關系

如果傳感器的輸出信號不包括V+軌，但范圍一直到負軌，則需要一個可以接受V的放大器厘米這也去了 V-。這種類型的運算放大器稱為單電源，因為通過將V–接地，只需要一個電壓源。單電源運算放大器采用特殊的電路拓撲結構，即使信號靠近V–軌，也可以放大信號。

類似地，一些應用要求運算放大器在輸入范圍從V–到V+時保持精度。這稱為軌到軌輸入（RRI）運算放大器。這些運算放大器通常組合兩個差分對——每個電源軌一個。ADA4661是RRI運算放大器的典型示例。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系。

當輸入由兩個不同的對組成以創(chuàng)建軌到軌輸入時，需要權衡取舍。作為 V厘米從一對轉(zhuǎn)換到另一對時，失調(diào)電壓會反映一個小的交越失真。在ADA4661中，可以看到失真幅度約為50 μV，比V+供電軌低約2 V。雖然這在某些系統(tǒng)中可能并不重要，但我們可能需要避免在其他系統(tǒng)中出現(xiàn)這種失真。一種解決方案是設計系統(tǒng)，使輸入電壓保持在交越電壓以下。在圖2中，這仍將提供超過16 V的IVR。具有低電源電壓（例如5 V）的應用帶來了挑戰(zhàn)，因為我們無法在不顯著降低輸入信號電壓范圍的情況下放棄足夠的IVR（例如2 V）。在該應用中，我們需要不同類型的輸入級。

ADA4500使用單個輸入對，結合電荷泵提供更高的內(nèi)部電壓，即使運算放大器濾波器位于供電軌上，也能消除交越失真，從而消除交越失真。利用這種結構，傳感器可以在整個電源范圍內(nèi)驅(qū)動運算放大器的輸入電壓，而不會產(chǎn)生交越失真，如圖3所示。同時，它保證在95°C時提供120 dB的共模抑制和25 μV的輸入失調(diào)電壓，即使在輸入信號必須穿過電源軌時也能提供出色的精度。

有關運算放大器輸入結構和權衡的詳細討論，請參見迷你教程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軌到軌運算放大器可消除其整個電源范圍內(nèi)的失真。

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審核編輯：郭婷