利用零漂移运算放大器实现称重传感器增益放大电路

什么是零漂移放大器?

零漂移放大器可动态校正其失调电压并重整其噪声密度。自稳零型和斩波型是两种常用类型,可实现 nV 级失调电压和极低的失调电压时间/温度漂移。放大器的1/f 噪声也视为直流误差,也可一并消除。零漂移放大器为设计师提供了很多好处:首先,温漂和 1/f 噪声在系统中始终起着干扰作用,很难以其它方式消除,其次,相对于标准的放大器,零漂移放大器具有较高的开环增益、电源抑制比和共模抑制比,另外,在相同的配置下,其总输出误差低于采用标准精密放大器的输出误差。

零漂移放大器适合哪些应用?

零漂移放大器适用于预期设计寿命 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。应用示例包括精密电子秤、医疗仪器、精密计量设备和红外/电桥/热电堆传感器接口。

何时用自稳零型放大器?何时用斩波型放大器?

斩波型放大器适合低功耗、低频应用(<100 Hz),自稳零型放大器则更适合宽带应用。AD8628集自稳零和斩波两种技术于一体,堪称要求低噪声、无开关毛刺、宽带宽应用的理想之选。下表列出一些设计的利弊因素。

自稳零型 斩波稳定型 斩波稳定型+ 自稳零型
极低失调, TCVOS 极低失调, TCVOS 极低失调, TCVOS
采样保持 调制/解调 采样保持, 调制/解调
混叠导致低频噪声较高 类似于平带噪声(无混叠) 随频率分布的组合噪声
功耗较高 功耗较低 功耗较高
宽带宽 窄带宽 带宽最宽
纹波最小 纹波最大 纹波水平低于斩波型
在自稳零频率上的能量很小 在斩波频率上能量很大 在自稳零频率上的能量很小

下表列出了ADI 公司的一些代表性零漂移放大器

产品型号 电源电压 最小值时带宽 (MHz) 压摆率 (V/μs) Vos 最大值 (μV) TCVOS 典型值 (μV/°C)
单路 双路 四路 最小值 最大值
AD8628 AD8629 AD8630 2.7 5.5 2.5 1 5 0.002
AD8538 AD8539 2.7 5.5 0.43 0.4 13 0.03
AD8638 AD8639 4.5 16 1.35 2.5 9 0.01
AD8551 AD8552 AD8554 2.7 5.5 1.5 0.4 5 0.005
AD8571 AD8572 AD8574 2.7 5.5 1.5 0.4 5 0.005
ADA4051-1 ADA4051-2 1.8 5.5 0.115 0.04 15 0.02

下面来看一个应用电路

称重传感器输出信号很小,例如,当激励电压为5 V时,2 kg称重传感器的灵敏度为2 mV/V,满量程输出为10 mV,我们需要把这个电压放大几百倍然后给ADC采集,这时候就需要增益电路。现在很多ADC都集成了可编程增益放大器,里面就是下面这个电路,利用本电路可以非常灵活地设计定制电平信号调理前端,可以轻松优化传感器-放大器-转换器组合电路。

零飘移运算放大器应用电路

上图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,前端使用超低噪声、低失调电压、低漂移放大器,以便放大来自称重传感器的电平信号。对于满量程输出为10 mV的称重传感器,该电路提供15.3位的无噪声码分辨率。

来自称重传感器的电平幅度信号由两个零漂移放大器ADA4528-1放大。顾名思义,零漂移放大器的失调电压漂移接近为0。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,零漂移放大器也没有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。

增益等于1 + 2R1/RG。容C1和电C2置于运算放大器的反馈环路中,与R1和R2一起形成4.3 Hz截止频率的低通滤波器,用于限制进入Σ-Δ型ADC的噪声量。C5与R3和R4一起形成一个截止频率为8 Hz的差分滤波器,用以进一步限制噪声。C3和C4与R3和R4一起形成截止频率为159 Hz的共模滤波器。

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作者:wawooo
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