前端信號調(diào)理系統(tǒng)設(shè)計時，相較于分立式解決方案，設(shè)計人員往往更傾向于使用應(yīng)用廣泛的大規(guī)模高集成度數(shù)據(jù)采集IC，以降低成本和時間并縮小尺寸和物料清單 (BOM)。不過，在高性能測試、測量和儀表系統(tǒng)等應(yīng)用中，設(shè)計人員也可以考慮使用分立式運算放大器連接專用傳感器作為關(guān)鍵前端組件。

功能單一的精密運算放大器屬于專用器件，具有極低的電壓偏移、失調(diào)漂移和輸入偏置電流，并且能夠?qū)崿F(xiàn)帶寬、噪聲與功耗之間的性能平衡。

對于設(shè)計人員而言，使用這些精密器件時必須克服兩大設(shè)計挑戰(zhàn)：選擇最適合應(yīng)用的器件以及充分實現(xiàn)其潛在性能。后者需要深入了解器件操作并正確應(yīng)用，以免因疏忽導(dǎo)致未能啟用某些精密屬性。

本文以芯熾SC2751(兼容TI的OPAX350)的解決方案為例，介紹精密運算放大器的作用及其設(shè)計考慮因素，說明如何選擇并有效應(yīng)用精密運算放大器。

精密運算放大器的作用

設(shè)計人員之所以傾向于使用具有較低精度運算放大器的大規(guī)模IC，主要是因為只需“校準(zhǔn)”運算放大器的缺陷，即可確保傳感器通道的性能。然而，這不僅耗費時間，而且傳感器及其通道前端通常難以做到準(zhǔn)確校準(zhǔn)，尤其對于現(xiàn)場系統(tǒng)。只有考慮到精密運算放大器的作用，才能體會這一點的重要性。

精密運算放大器主要用于應(yīng)變片、超聲波壓電變送器和光電探測器等傳感器，用以捕獲輸出信號，而非加載較弱的傳感器輸出。然后，運算放大器將經(jīng)調(diào)理的信號準(zhǔn)確傳送至模擬信號鏈的其余部分，最終送達模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。此外，精密運算放大器也可用于模擬濾波器，確保相關(guān)信號不失真或發(fā)生直流偏移。

在這些應(yīng)用中，運算放大器在時間、溫度和電源軌方面的性能呈線性響應(yīng)，具有可重復(fù)性和穩(wěn)定性，這一點相當(dāng)重要。此外，多數(shù)情況下可保持低噪聲(傳感器輸出信號或其他模擬信號通常相當(dāng)小)，整個響應(yīng)曲線較為平坦，并實現(xiàn)對最小過沖和瞬時振蕩的快速壓擺。由于許多應(yīng)用都采用電池供電，因此運算放大器在活動和靜態(tài)模式下應(yīng)當(dāng)盡量降低功耗。

從精密運算放大器獲取所需的功能

應(yīng)用運算放大器時，需針對具體器件在各種設(shè)計、處理、微調(diào)和測試之間取得平衡。而精密運算放大器與標(biāo)準(zhǔn)器件的細(xì)微差別在于，設(shè)計人員必須確定優(yōu)先考慮哪些參數(shù)和數(shù)值，并為每個參數(shù)和數(shù)值分配相對權(quán)重。

如果設(shè)計優(yōu)先考慮較低的電壓噪聲，芯熾的雙通道軌至軌CMOS運算放大器SC2751似乎是更好的選擇。SC2751針對低電壓單電源運行進行了優(yōu)化，軌至軌輸入和輸出、低噪聲(5nV/√Hz) 和高速運行 (38MHz, 22V/μs) 使得運算放大器非常適合驅(qū)動模數(shù) (A/D) 轉(zhuǎn)換器。而且也適用于手機功率放大器 (PA) 控制環(huán)路和視頻處理(75Ω驅(qū)動能力)以及音頻和通用應(yīng)用。

SC2751典型應(yīng)用電路

輸出也很重要

雖然輸入特性和性能是評估精密運算放大器的重要因素，但輸出也不容忽視。這些重要因素中就包括壓擺率和輸出擺幅。例如，SC2751器件具有內(nèi)部壓擺增強電路，可隨反饋誤差電壓上升而提高壓擺率，從而實現(xiàn)階躍輸入信號幅值較大時放大器的快速響應(yīng)和穩(wěn)定。

SC2751運行在一個低至2.5V的單電源上，輸入共模電壓范圍介于接地電壓以下300mV至正電源以上300mV之間。10kΩ負(fù)載時，輸出電壓可以擺動到電源軌的10mV以內(nèi)。

由于差分信號可降低噪聲和諧波失真，因而廣泛應(yīng)用于高性能ADC，而SC2751等精密運算放大器可用于將傳感器固有的單端輸出信號轉(zhuǎn)換為差分信號。實現(xiàn)這一點正是設(shè)計權(quán)衡的典型示例：要么使用差分放大器，要么配置兩個完全獨立的放大器來執(zhí)行單端至差分轉(zhuǎn)換。前者往往可以確保更優(yōu)的性能，但成本高于兩個放大器的解決方案。

SC2751兼具兩者之優(yōu)勢，輕松解決了這一難題。由于器件固有的低諧波失真、低補償電壓和低偏置電流，差分輸出可與高分辨率ADC的性能完美匹配，而成本卻與單個差分放大器解決方案相差無幾。

單通道與雙通道器件的對比

在單通道與雙通道精密運算放大器之間作選擇，涉及一些典型的權(quán)衡和妥協(xié)問題。例如，就功能而言，雙通道器件的封裝尺寸更小，并且由于所需的旁路電容較少，整體電路板占用面積更小。

不過，如果使用雙通道器件，則低電平輸入信號印制線可能會更長，具體取決于電路原理圖;因而會占用更多空間，使設(shè)計復(fù)雜化，并且增加噪聲。因此，決定設(shè)計使用兩個單通道器件或是一個雙通道器件，還須憑借對各放大器功能的接近程度、IC總體和相關(guān)無源器件的占用面積以及電氣性能的評估來評判，而不能只考慮BOM的簡化。

SC2751作為雙通道運算放大器，設(shè)計具有完全獨立的電路，可將串?dāng)_降到最低并徹底消除相互作用。

此外，SC2751采用微型MSOP8表面貼裝、SOP8表面貼裝和DIP8封裝，額定溫度范圍為-40°C至85°C，工作溫度范圍為-45°C至125°C，是精密運算放大器應(yīng)用的理想解決方案。

審核編輯：湯梓紅