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传感器实现目标需要怎样的放大器

2020年03月16日 15:15 次阅读

作为消费、工业、科学和其他应用的基本组成部分,运算放大器是最广泛应用的电子元器件。对大多数低端应用来说,设计要求明确,因而元件的选择也相对容易。但在用于实现许多高端传感器的输入处理设计时,如何选择最佳的精密运算放大器却存在一些挑战。

在传感器类型和(或)其使用环境带来许多特别要求时,例如超低功耗、低噪声、零漂移、轨到轨输入及输出、可靠的热稳定性和对数以千计读数和(或)在恶劣工作条件下提供一致性能的可再现性,运算放大器的选择就会变得特别困难。

在基于传感器的复杂应用中,设计者需要进行多方面考虑,以便获得规格与性能最佳组合的精密运算放大器,同时还需要考虑成本。具体而言,斩波稳定型运算放大器(零漂移放大器)非常适用于要求超低失调电压以及零漂移的应用。斩波运算放大器通过持续运行在芯片上实现的校准机制来达到高DC精度。

虽然没有普遍公式可供遵循,但下面的如何选择运算放大器的例子可帮助实现重要的应用目标。

衡器和压力传感器

衡器和压力检测应用通常使用非常灵敏的模拟前端传感器,如应变计,这些传感器可提供非常精确的测量结果,但输出信号非常微弱。对于高精度衡器应用,设计人员可能使用桥式传感器网络,其中运算器与用于提供共模提取和10PPM~20PPM精度的选定增益电阻器配对使用。这种先进的“自主”设计对运算放大器性能具有严格的要求,以便从相对较大的输入提取非常弱小的信号。

为了成功地放大这些弱小信号,运算放大器必须具有超低输入失调电压和最小失调温度漂移,并具有宽增益带宽和轨到轨输入/输出摆幅(当然,小输入信号不需要轨到轨输入摆幅)。同样重要的还有运算放大器需要在接近DC状态(如0.1Hz~10Hz)时具有非常稳定的超低频噪声特征对于高精密衡器桥式网络传感器应用,设计人员应当寻找具有极低输出失调电压和低噪声(1/f-1mHz)的单个零漂移运算放大器。

如图1所示,一个很好的例子是斩波零漂移ISL28134运算放大器,其可在0.1Hz到10Hz频率范围内提供卓越噪声电压(nV),从而对DC电平提供几乎平坦的噪声频带。因其内部稳定的斩波设计,ISL28134L技术规格实际包括10 PPM的最大噪声增益(七西格玛)来提供针对高增益应用的最优性能,同时最小化噪声增益误差。

传感器实现目标需要怎样的放大器

传感器实现目标需要的精密运算放大器选择方法浅析图1 ISL28134: 0.1Hz 到 10Hz 峰-峰噪声电压对于便捷式衡器应用,低功耗也是一个需要重要考虑的因素。设计人员可考虑采用ISL28133,这款放大器基于斩波稳定设计,综合了低微功耗(最大25?A)和低失调电压(最大6?V)的特征,它可具有直流电平平坦噪声频带以及近于零漂移的特点。对于其他需要使用更高基准电压(如10V而非5V)的应变计应用,设计人员可以考虑ISL28217或ISL28227。

电流检测和控制应用

根据具体要求的不同,检测电流强度的方法很多。其中包括使用电阻器的分路传感器、霍尔效应传感器以及电流互感器。在本例中,我们将考察应用于分路传感器的运算放大器的要求。现今的分路传感器技术已发展到具有高精度,并可提供低成本优势的特点,并且适用范围广。

基本而言,分路传感器技术是将一个电阻器置于被测量电源的线路中。因为电阻压降会影响功效,所以通常需要使用尽可能小的电阻值。而这就意味在电流检测应用中,必须放大相对较小的电阻差分功率。

因此,运算放大器电路必须提供高共模范围和高精度。低功耗也是一个重要要求,特别是对电池应用的传感器。嵌入式电流检测电路也需要相对便宜,以便不显着增加被监测产品的物料成本。

此外,对许多工业、公用事业和通信电流的检测应用,运算放大器需要在极端温度或长期使用条件下的漂移最小。例如,部署在电线杆顶的电流传感器由于暴露在相对恶劣的环境变化中,所以需要提供长期的稳定性能而不产生昂贵的维护要求。

许多基于分路器的电流检测应用都采用了运算放大器,例如以最小封装尺寸提供低功耗与高精度的基于斩波的零漂移放大器——ISL28133或ISL28233。此外,如图2所示,这些斩波稳定型CMOS器件在极端温度和长期使用条件下提供卓越的低漂移特征。

传感器实现目标需要怎样的放大器

传感器实现目标需要的精密运算放大器选择方法浅析图2 将失调电压在温度和时间上的漂移将到最小化,ISL28133是一款单一斩波稳定型运算放大器,而

ISL28233是同一款放大器的双器件。

电流检测是早已用于许多行业领域(如消费、工业、通信和公用事业等)的最普遍应用之一,随着新型电子器件的大量增加和人们对“绿色”电源管理技术的日益重视,其重要性日益提高。上文描述的斩波稳定型精密运算放大器提供极低失调电压和失调偏移、轨到轨输入和输出以及低功耗,可满足日益增加的嵌入式电流检测的应用需求。

手持式有毒环境安全监测仪

最后一个应用例子是将大量不同传感器输入集中在一个设备中,该设计表明良好设计的运算放大器有助于处理紧凑型便携设备上的多传感器信号链。用于监测危险环境的手持式设备越来越多地采用传感器以便最小化尺寸和最大化功能。此类设备可能包含可燃气体传感器氧传感器和催化加热带传感器。

如图3中的框图所示,使用多个超低功耗运算放大器(如ISL28194)具备针对小型手持式设备中多传感器信号链的优势。

传感器实现目标需要怎样的放大器

传感器实现目标需要的精密运算放大器选择方法浅析图3 多传感器手持有毒环境安全检测仪因为这些安全设备通常需要以全天候模式工作,所以ISL28194超低微功耗特征(最大450nA和 2nA[空闲时])支持更长的电池寿命而不损害性能。ISL28194设计为在单电源(1.8V-5.5V)模式下工作,所以适用于由两节1.5V碱性电池供电的手持设备。此外,因为多个ISL28194信号链可作为单个ADC(ISL26132)的信号源,所以可以最小化整体系统级电路的复杂性和部件数量。

由于可燃气体传感器、氧传感器和热传感器的建立时间通常长达10秒,所以运算放大器的带宽并不很重要,但它们需要传感器具有恒定的偏置。另外,和前面所举的例子一样,传感器的输出大多为非常弱小的信号,所以运算放大器必须在大增益步长上提供峰-峰噪声平坦度和漂移特征。

扩大运算放大器的选择范围

作为应用最广泛的电子元件之一,运算放大器的使用还会继续增加。随着提供模拟传感器功能的设备越来—从本文所举的例子到大量使用运动、近程、光和其他传感器的工业及消费设备,运算放大器的使用正在以指数规律增加。

像任何良好设计的规范一样,首要标准始终必须是实现系统工作的准确性和性能目标。所以在高增益场合中,低噪声、低漂移和精密性将始终是成功的重要因素。幸运的是,现今可供系统设计人员选择的精密运算放大器更加广泛,使他们能够有效地满足最严格的性能和准确性要求,并在耗电量、尺寸、部件数量和整体成本间取得平衡。

责任编辑:ct

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