如何高效选择和使用精密运算放大器
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前端信号调理系统设计时，相较于分立式解决方案，设计人员往往更倾向于使用应用广泛的大规模高集成度数据采集 IC，以降低成本和时间并缩小尺寸和物料清单 (BOM)。不过，在高性能测试、测量和仪表系统等应用中，设计人员也可以考虑使用分立式运算放大器连接专用传感器作为关键前端组件。
功能单一的精密运算放大器属于专用器件，具有极低的电压偏移、失调漂移和输入偏置电流，并且能够实现带宽、噪声与功耗之间的性能平衡。发烧友公众号回复资料可以免费获取电子资料一份记得留邮箱地址。
对于设计人员而言，使用这些精密器件时必须克服两大设计挑战：选择最适合应用的器件，以及充分实现其潜在性能。后者需要深入了解器件操作并正确应用，以免因疏忽导致未能启用某些精密属性。
本文将介绍各种精密运算放大器的作用和细微差别及其设计考虑因素，然后，以 Analog Devices 的解决方案为例，运用这些设计考虑因素来说明如何选择并有效应用精密运算放大器。
精密运算放大器的作用
设计人员之所以倾向于使用具有较低精度运算放大器的大规模 IC，主要是因为只需“校准”运算放大器的缺陷，即可确保传感器通道的性能。然而，这不仅耗费时间，而且传感器及其通道前端通常难以做到准确校准，尤其对于现场系统。只有考虑到精密运算放大器的作用，才能体会这一点的重要性。
精密运算放大器主要用于应变片、超声波压电变送器和光电探测器等传感器，用以捕获输出信号，而非加载较弱的传感器输出。然后，运算放大器将经调理的信号准确传送至模拟信号链的其余部分，最终送达模数转换器 (ADC)。此外，精密运算放大器也可用于模拟滤波器，确保相关信号不失真或发生直流偏移。
在这些应用中，运算放大器在时间、温度和电源轨方面的性能呈线性响应，具有可重复性和稳定性，这一点相当重要。此外，多数情况下可保持低噪声（传感器输出信号或其他模拟信号通常相当小），整个响应曲线较为平坦，并实现对最小过冲和瞬时振荡的快速压摆。由于许多应用都采用电池供电，因此运算放大器在活动和静态模式下应当尽量降低功耗。
功能单一的精密运算放大器由标准的运算放大器符号表示（图 1），却不能显示专用分立式器件的复杂性。
图 1：精密运算放大器的原理图符号与标准运算放大器相同，却无法显示这类关键前端信号处理基本器件的类别、性能或参数。（图片来源：Analog Devices）
在非精密应用中，运算放大器的性能参数往往属于次级或三级考虑因素，而对于精密运算放大器而言却是优先考虑因素。其中包括噪声（通常以 µV/√Hz 或 nV/√Hz 表示）、输入补偿电压及其漂移、输入偏置电流及其漂移，以及增益、带宽和压摆率等常见参数。
输入补偿电压和输入偏置电流都值得仔细研究：
输入补偿电压指在运算放大器的两个输入端所施加的直流 (DC) 电压，以获得恒定的零电压输出。任何补偿电压都会被运算放大器的增益放大，从而导致输出误差，这与运算放大器的增益设置有关。
输入偏置电流指运算放大器输入端所通过的微小电流，用于正确偏置其内部电路。而问题是该电流无法返回传感器，因为运算放大器的反相和同相输入偏置电流方向相同，即同时流入运算放大器或同时流出。
输入偏置电流的另一个潜在问题在于，可能在连接输入端的传感器电阻两端形成不必要的电压降。若阻值较小（通常如此），则这一补偿电压尚可忽略不计；但如果输入电阻较大，例如 pH 探头电极的电阻通常达兆欧级，那就可能会造成较为严重的问题。
对于上述两种以及其他运算放大器参数而言，由温度引起的漂移也是一个问题。由漂移引起的参数值变化较难校正，但是标称温度下的误差可以通过手动硬件微调来补偿（虽然会增加成本，延长时间），也可以通过软件来校正。
此外，运算放大器也可能因老化和温度造成性能改变，并且老化值通常无法预测。许多精密运算放大器的规格书确实提供了关键参数的老化值，但老化是随机过程，因此只能以概率值而非确定值来表示。
实际上，无论在何种情况下，要想准确测量这类精密器件的输入补偿电压和偏置电流都相当非常困难，有效补偿方案的实现也极具挑战性。相比之下，只考虑规格书内容详尽的产品或许更为合适。通过规格书中包含的众多图表，可以了解所有相关性能和应用信息。
从精密运算放大器获取所需的功能
应用运算放大器时，需针对具体器件在各种设计、处理、微调和测试之间取得平衡。而精密运算放大器与标准器件的细微差别在于，设计人员必须确定优先考虑哪些参数和数值，并为每个参数和数值分配相对权重。
我们来分析一下 Analog Devices 推出的两个精密运算放大器系列：ADA4805-1 单通道和 ADA4805-2 双通道器件，以及 ADA4896-2 双通道器件。
虽然基本功能大致相同，但确实存在一些重大差异，两个系列的规格亮点如下表所示（表 1）。如果设计优先考虑较低的电压噪声，ADA4896 似乎是更好的选择，不过其电流噪声和输入补偿电压均比 ADA4805 系列高。当然，除了下列参数外，这两系列之间还存在功率、共模电压等许多其他权衡因素。
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表 1：在电流噪声和输入补偿电压等方面，ADA4805 和 ADA4896 精密运算放大器系列存在重大差异。（表数据来源：Digi-Key Electronics）
输出也很重要
虽然输入特性和性能是评估精密运算放大器的重要因素，但输出也不容忽视。这些重要因素中就包括压摆率和输出摆幅。例如，ADA4805 器件具有内部压摆增强电路，可随反馈误差电压上升而提高压摆率，从而实现阶跃输入信号幅值较大时放大器的快速响应和稳定（图 2）。
图 2：ADA4805 在选定输出阶跃条件下的阶跃响应。ADA4805 具有内部压摆增强电路，可随反馈误差电压上升而提高压摆率，从而实现阶跃输入信号幅值较大时放大器的快速响应和稳定。（图片来源：Analog Devices）
请谨记，需要由这些运算放大器调理的传感器信号大多不是阶跃输入信号，因为这些传感器通常是多路复用的。所以当多路复用器 (mux) 切换通道时，运算放大器可能就会接收到阶跃信号。ADA4805 器件的压摆增强功能也会影响大信号频率响应，即较大的输入信号会导致峰值略微增加（图 3）。
图 3：ADA4805 的频率响应峰值是信号电平的函数，此处的增益为 +1。（图片来源：Analog Devices）
ADA4805 放大器断电时，输出进入高阻态，阻抗随频率增加而降低。关断模式下，ADA4805 器件可在 100 kHz 实现 62 dB 的正向隔离（图 4）。
图 4：ADA4805 的正向/关断隔离是频率的函数，随频率增加而减小。（图片来源：Analog Devices）
由于差分信号可降低噪声和谐波失真，因而广泛应用于高性能 ADC，而 ADA4805 等精密运算放大器可用于将传感器固有的单端输出信号转换为差分信号。实现这一点正是设计权衡的典型示例：要么使用差分放大器，要么配置两个完全独立的放大器来执行单端至差分转换。前者往往可以确保更优的性能，但成本高于两个放大器的解决方案。
ADA4805 系列兼具两者之优势，轻松解决了这一难题。由于器件固有的低谐波失真、低补偿电压和低偏置电流，差分输出可与高分辨率 ADC 的性能完美匹配，而成本却与单个差分放大器解决方案相差无几。
驱动容性负载时，情况会相对棘手一点。放大器输出端的电容会造成反馈环路的时间延迟（相移），若在环路带宽内，则会产生过高的瞬时振荡和摆动。例如，如 ADA4896-2 的响应与增益曲线所示，最大峰值出现在增益为 +2 时（图 5）。
图 5：ADA4896-2 的小信号频率响应与增益关系图显示其响应随增益的变化（RL = 1 kΩ；G = +1 时，RF = 0 Ω；否则，RF = 249 Ω）。（图片来源：Analog Devices）
如果不希望出现峰值，标准解决方案是添加低阻值的“缓冲”电阻器，与放大器输出及其容性负载串联，从而将影响降至最低限度。阻值仅为 100 Ω 的缓冲器即可完全消除响应峰值，但由于输出衰减会导致闭环增益降低 0.8 dB，因此设计人员需要进行利弊权衡。缓冲电阻器的阻值可在 0 Ω 至 100 Ω 之间调节，从而提供可接受的峰值和闭环增益水平（图 6）。
图 6：在输出端使用缓冲电阻器 (RSNUB) 可降低 ADA4896-2 最差情况频率响应（增益为 +2）的峰值。（图片来源：Analog Devices）
使用增益可选放大器，信号链即可处理各种可能的输入信号。传统的增益可选放大器利用反馈环路的开关连接反相输入端。这些开关具有不可避免的小电阻，而该电阻可降低放大器的噪声性能，并在反相输入节点上增加较大的电容，这两者对运算放大器的低噪声性能均有不利影响。此外，开关电阻还会增加非线性增益误差，从而影响运算放大器的性能。
为避免性能下降，设计人员可以使用可编程增益开关拓扑结构，保持 ADA4896-2 低至 1 nV/Hz 的噪声性能，并降低非线性增益误差（图 7）。选择电容最小的开关还可以优化电路的带宽。
图 7：ADA4896-2 的两个通道和 ADG633 模拟开关可用于构建低噪声增益可选放大器，降低非线性增益误差，驱动低电阻负载。（图片来源：Analog Devices）
输入放大器的偏置电流虽小，但可能会导致输出偏移，具体取决于增益设置。但是，由于 ADA4896-2 的输入放大器和输出缓冲级均为单芯片器件，因此两者的偏置电流高度匹配，很大程度上可利用这一特性来消除偏移变化。
封装和布局注意事项
制造精密运算放大器不单单只是在半导体芯片上构建精心设计的电路，还需考虑如何封装，以及如何应用该封装才能使器件性能与规格书中“完美”条件下的性能参数不相上下。
与精密电压基准类似，在运算放大器放置和最初焊接过程中，以及现场工作时印刷电路板的正常弯曲和振动，都会让放大器承受微小的机械应力。由此产生的应变可能会导致器件性能产生微小却显著的潜在变化，这主要是因为芯片晶体的压电效应以及其他材料特性。
因此，请务必确保印刷电路板足够坚固，并在必要时提供额外支撑。在现场使用前甚至有必要使电路板经历数个热循环以减小可能存在的应力。
与多数模拟电路一样，尤其是精密电路，布局与接地是决定设计成败的关键考虑因素。并联使用较大和较小的旁路电容来绕过电源至关重要。通常，旁路电容对就由 10 µF 电解电容器和 0.1 µF 陶瓷电容器并联组成。电路板布局时，最小值的电容应放置在放大器的同一侧，并且尽可能靠近其电源引脚。
单通道与双通道器件的对比
在单通道与双通道精密运算放大器之间作选择，涉及一些典型的权衡和妥协问题（图 8）。例如，就功能而言，双通道器件的封装尺寸更小，并且由于所需的旁路电容较少，整体电路板占用面积更小。
图 8：采用 6 引脚 SOT-23 封装的 ADA4805-1 引脚分配（左图）；采用 8 引脚 MSOP 封装的 ADA4805-2 引脚分配（右图）。（图片来源：Analog Devices）
不过，如果使用双通道器件，则低电平输入信号印制线可能会更长，具体取决于电路原理图；因而会占用更多空间，使设计复杂化，并且增加噪声。因此，决定设计使用两个单通道器件或是一个双通道器件，还须凭借对各放大器功能的接近程度、IC 总体和相关无源器件的占用面积以及电气性能的评估来评判，而不能只考虑 BOM 的简化。
精密运算放大器的反直觉接地规则
电路板布局设计人员常常假定接地面积和接地平面越大越好，但是精密运算放大器的接地规则却有所不同。
因为接地平面与输入和输出缓冲器之间产生的杂散电容会对高速放大器性能产生不利影响，所以避免在精密运算放大器的输入和输出端下方及周围区域布置接地，这一点尤为重要。反相输入端的杂散电容和放大器的输入电容，也会降低相位裕度并导致不稳定。而输出端的杂散电容会在反馈环路中形成极点，也会降低相位裕度并导致电路不稳定。
如何开始使用精密运算放大器
使用供应商提供的评估板，即可轻松领略这些运算放大器众多性能的巧妙之处。所幸，供应商产品组合中采用给定封装的运算放大器引脚布局大多已经标准化（很大程度上算是业内普遍情况），因此只需一块评估板即可评估多种型号的运算放大器。
例如，Analog Devices 的 EVAL-HSAMP-2RMZ-8 是一款裸板（无载印刷电路板）。这款六层评估板可用于 8 引脚 MSOP 封装的双通道放大器，输入和输出端支持 SMA 边缘安装连接器，以便与测试设备或其他电路建立高效的宽带连接（图 9）。
图 9：Analog Devices 的 EVAL-HSAMP-2RMZ-8 六层裸板可用于评估 8 引脚 MSOP 封装的双通道运算放大器，输入和输出端支持 SMA 边缘安装连接器。（图片来源：Analog Devices）
评估板的接地平面和元器件布局旨在最大限度地降低寄生电感和电容，但是这一点无法只从原理图中清楚体现（图 10）。
图 10：Analog Devices 的 EVAL-HSAMP-2RMZ-8 评估板原理图。（图片来源：Analog Devices）
EVAL-HSAMP-2RMZ-8 的原理图虽显示了组件间的连接和元器件空间分配，却没有标注实际值。因为该评估板是无载印刷电路板，允许用户使用与运算放大器匹配的无源器件值，并根据应用需求来评估性能。建议评估板组件主要采用 SMT 0603 外壳尺寸，除旁路电解电容器（C1 和 C2）外，后者采用 1206 外壳尺寸。
总结
大规模、高集成度数据采集 IC 可以降低成本和时间，并缩小尺寸和物料清单 (BOM)，但是一些应用需要使用分立式精密运算放大器。这些功能单一的器件高度专业化，因而为了充分实现其潜在性能，选型和设计难度剧增。
不过，充分了解器件选型的诸多考虑因素后，可以加速选择过程。选型确定后，还必须考虑上述因素才能正确运用精密运算放大器，从而避免损害器件的实际性能，实现规格书中的性能指标。此外，通过评估板可掌握元器件布置和电路板布局的知识（原理图未标注具体数值），这是关乎设计成败的关键。
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