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信号是否需要接近直流电源轨传输?

可能要用,这取决于传感器输出直流电源信号是否会迫使运算放大器达到一个接近供电轨的直流电源电压。


举个例子


若要通过一个精密10 Ω并联电阻监控0 mA至500 mA的负载直流电源电流,则最大输出直流电源电压将是5 V。如果放大器直流电源电压为5 V,那么将需要选择一个具有轨到轨输入直流电源电压范围的放大器。


许多运放的经典输入级为晶体管差分对。为使运算放大器放大输入端的共模直流电源电压(VCM)直流电源信号,VCM和直流电源电压之间必须有足够的裕量。如果VCM太接近任一供电轨,以至于输入对缺乏裕量,则输入失调直流电源电压和其他重要参数会降级,引起精度损失,如图1所示。

ADA4610典型输入失调直流电源电压与共模直流电源电压的关系

图1. ADA4610典型输入失调直流电源电压与共模直流电源电压的关系


正是这些裕量要求规定了运放的额定输入直流电源电压范围(IVR)。业界的一些最高精度放大器(如ADA4610),即采用这种经典输入结构。只要输入直流电源电压远离供电轨,它便有出色的精度。


如果传感器的输出直流电源信号不包括V+轨,但其范围会一路低到负供电轨,则它需要一个能接受VCM也低至V–的放大器。此类运放称为单直流电源运放,因为将V–接地后,只需要一个直流电源电压源。单直流电源运放采用特殊直流电源电路拓扑,支持放大接近V–轨的直流电源信号。


类似地,有些应用要求运放能在V–到V+的输入范围内保持高精度。这称为轨到轨输入(RRI)运算放大器,此类运放通常有两个差分对,一个轨一对。ADA4661是RRI运放的经典范例。如图2所示,它在整个直流电源直流电源电压范围内具有出色的精度。

轨到轨运算放大器,典型输入失调直流电源电压与共模直流电源电压的关系

图2. ADA4661:轨到轨运算放大器,典型输入失调直流电源电压与共模直流电源电压的关系


当输入由两个差分对组成以实现轨到轨输入时,既有利也有弊。当VCM从一个对跃迁至另一个对时,会有一个小交越失真反映在失调直流电源电压中。对于ADA4661,您可以看到失真幅度约为50 μV,发生在V+轨以下大约2 V。虽然这在某些系统中可能不严重,但在其他系统中,您可能需要避免此失真。一种解决方案是通过系统设计让输入直流电源电压保持在交越直流电源电压以下。在图2中,它仍会提供16 V以上的IVR。直流电源电压较低(例如5 V)的应用会带来挑战,因为要放弃足 够的IVR(例如2 V),必然会大幅降低输入直流电源信号的直流电源电压范围。在这种应用中,我们需要其他类型的输入级。


ADA4500通过单个输入对与一个电荷泵的结合来消除交越,从而消除交越失真。电荷泵提供更高的内部直流电源电压,使输入对有足够的直流电源电压,即使运放滤波器位于供电轨也无妨。利用这种结构,传感器可以将运放输入直流电源电压驱动到整直流电源电压范围内而不会有交越失真,如图3所示。

轨到轨运算放大器消除整个直流电源范围内的失真

图3. ADA4500轨到轨运算放大器消除整个直流电源范围内的失真


在这样做的同时,它提供95 dB的保证共模抑制性能和120 μV的输入失调直流电源电压(25°C时),即使输入直流电源信号接近直流电源轨也不影响其出色的精度。


所以,有时候,直流电源信号需要接近直流电源轨传输。

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