精密运算放大器的作用及其设计考虑因素

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。

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。

本文以芯炽SC2751(兼容TI的OPAX350)的解决方案为例，介绍精密运算放大器的作用及其设计考虑因素，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。

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。

如果设计优先考虑较低的电压噪声，芯炽的双通道轨至轨CMOS运算放大器SC2751似乎是更好的选择。SC2751针对低电压单电源运行进行了优化，轨至轨输入和输出、低噪声(5nV/√Hz) 和高速运行 (38MHz, 22V/μs) 使得运算放大器非常适合驱动模数 (A/D) 转换器。而且也适用于手机功率放大器 (PA) 控制环路和视频处理(75Ω驱动能力)以及音频和通用应用。

SC2751典型应用电路

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，SC2751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。

SC2751运行在一个低至2.5V的单电源上，输入共模电压范围介于接地电压以下300mV至正电源以上300mV之间。10kΩ负载时，输出电压可以摆动到电源轨的10mV以内。

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SC2751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。

SC2751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。

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。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。

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。

SC2751作为双通道运算放大器，设计具有完全独立的电路，可将串扰降到最低并彻底消除相互作用。

此外，SC2751采用微型MSOP8表面贴装、SOP8表面贴装和DIP8封装，额定温度范围为-40°C至85°C，工作温度范围为-45°C至125°C，是精密运算放大器应用的理想解决方案。

审核编辑：汤梓红