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(guī)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。發(fā)燒友公眾號回復資料可以免費獲取電子資料一份記得留郵箱地址。

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(zhàn)：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。


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(guī)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(fā)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(wěn)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(tài)模式下應當盡量降低功耗。

功能單一的精密運算放大器由標準的運算放大器符號表示（圖 1），卻不能顯示專用分立式器件的復雜性。

圖 1：精密運算放大器的原理圖符號與標準運算放大器相同，卻無法顯示這類關鍵前端信號處理基本器件的類別、性能或參數。（圖片來源：Analog Devices）

在非精密應用中，運算放大器的性能參數往往屬于次級或三級考慮因素，而對于精密運算放大器而言卻是優(yōu)先考慮因素。其中包括噪聲（通常以 μV/√Hz 或 nV/√Hz 表示）、輸入補償電壓及其漂移、輸入偏置電流及其漂移，以及增益、帶寬和壓擺率等常見參數。

輸入補償電壓和輸入偏置電流都值得仔細研究：

輸入補償電壓指在運算放大器的兩個輸入端所施加的直流 (DC) 電壓，以獲得恒定的零電壓輸出。任何補償電壓都會被運算放大器的增益放大，從而導致輸出誤差，這與運算放大器的增益設置有關。

輸入偏置電流指運算放大器輸入端所通過的微小電流，用于正確偏置其內部電路。而問題是該電流無法返回傳感器，因為運算放大器的反相和同相輸入偏置電流方向相同，即同時流入運算放大器或同時流出。

輸入偏置電流的另一個潛在問題在于，可能在連接輸入端的傳感器電阻兩端形成不必要的電壓降。若阻值較小（通常如此），則這一補償電壓尚可忽略不計；但如果輸入電阻較大，例如 pH 探頭電極的電阻通常達兆歐級，那就可能會造成較為嚴重的問題。

對于上述兩種以及其他運算放大器參數而言，由溫度引起的漂移也是一個問題。由漂移引起的參數值變化較難校正，但是標稱溫度下的誤差可以通過手動硬件微調來補償（雖然會增加成本，延長時間），也可以通過軟件來校正。

此外，運算放大器也可能因老化和溫度造成性能改變，并且老化值通常無法預測。許多精密運算放大器的規(guī)格書確實提供了關鍵參數的老化值，但老化是隨機過程，因此只能以概率值而非確定值來表示。

實際上，無論在何種情況下，要想準確測量這類精密器件的輸入補償電壓和偏置電流都相當非常困難，有效補償方案的實現也極具挑戰(zhàn)性。相比之下，只考慮規(guī)格書內容詳盡的產品或許更為合適。通過規(guī)格書中包含的眾多圖表，可以了解所有相關性能和應用信息。

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(yōu)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。

我們來分析一下 Analog Devices 推出的兩個精密運算放大器系列：ADA4805-1 單通道和 ADA4805-2 雙通道器件，以及 ADA4896-2 雙通道器件。

雖然基本功能大致相同，但確實存在一些重大差異，兩個系列的規(guī)格亮點如下表所示（表 1）。如果設計優(yōu)先考慮較低的電壓噪聲，ADA4896 似乎是更好的選擇，不過其電流噪聲和輸入補償電壓均比 ADA4805 系列高。當然，除了下列參數外，這兩系列之間還存在功率、共模電壓等許多其他權衡因素。

電壓噪聲 5.9 nV/√Hz（100 kHz 時） 1 nV/√Hz

電流噪聲 6.0 pA/√Hz 28 pA/√Hz

輸入補償電壓 125 μV 500 μV

補償電壓漂移 0.2 μV/℃ 0.2 μV/℃

偏置電流 550 nA -11 μA

偏置電流漂移 430 nA/℃ 3 nA/℃

帶寬 105 MHz 230 MHz

壓擺率 160 V/μsec 120 V/μsec

工藝技術 專有互補雙極 (XFCB) SiGe 雙極

表 1：在電流噪聲和輸入補償電壓等方面，ADA4805 和 ADA4896 精密運算放大器系列存在重大差異。（表數據來源：Digi-Key Electronics）

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，ADA4805 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(wěn)定（圖 2）。

圖 2：ADA4805 在選定輸出階躍條件下的階躍響應。ADA4805 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(wěn)定。（圖片來源：Analog Devices）

請謹記，需要由這些運算放大器調理的傳感器信號大多不是階躍輸入信號，因為這些傳感器通常是多路復用的。所以當多路復用器 (mux) 切換通道時，運算放大器可能就會接收到階躍信號。ADA4805 器件的壓擺增強功能也會影響大信號頻率響應，即較大的輸入信號會導致峰值略微增加（圖 3）。


圖 3：ADA4805 的頻率響應峰值是信號電平的函數，此處的增益為 +1。（圖片來源：Analog Devices）

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