原创 传感器实现目标需要的精密运算放大器选择方法浅析

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。

          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。