为传感器输入处理设计选择精密运算放大器时的注意事项

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。


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25µA）和低失调电压（最大6µV）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，以便不显著增加被监测产品的物料成本。