零漂移、单电源、轨对轨输入/输出运算放大器AD8751/8752/8754的原理及应用

    摘要：AD875x系列是美国AD公司生产的高精度轨对轨运算放大器，具有零漂移、单电源供电、轨对轨输入/输出等特点，可广泛用于温度、压力、应变、电流等精密测量的场合。本文概要介绍了它们的工作原理和几个主要应用电路。

    关键词：运算放大器 轨对轨 AD8751 AD8752 AD8754

1 概述

AD875x系列是一类具有极低失调电流、漂移电流和偏置电流的轨对轨输入/输出运算放大器，该系列中AD8751、AD8752和AD8754分别是单运放、双运放和四运放，它们均可在2.7～5V之间的单电源下工作。AD875x系列具有自调零或折波稳零放大器所提供的功能，并采用AD公司的新拓扑技术，从而使其具有高精度的特性（并且不需外部电容）。另外，通过扩展谱自调零技术。AD875x系列还可消除交流场合中斩波与信号频率之间的互调效应。适用于位置、压力传感器、温度传感器、精度电路检测、热电偶放大器、医用仪器和应变测量仪等对误差要求极高的仪器中。

AD975x系列运算放大器的主要特性如下：

●低失调电压：1μV；

●低输入失调漂移：0.005μV/℃；

●具有轨对轨输入输出的摆幅；

●采用2.7～5V单电源供电；

●高增益，CMRR，PSRR：130dB；

●极小的输入偏置电流：20pA；

●低供电电流：750μA/Op Amp;

●低过载恢复时间：50μs；

●无需外部电容。

AD875x系列运算放大器的部分极限值为：

●电源电压：6V；

●输入电压：GND～Vs+0.3V；

●差动输入电压：±5.0V；

●静电保护（ESD，人体模型）：2000V；

●输出短路至GND的持续时间：不限；

●存储温度范围（RM，RU和R封装）：-65℃～150℃；

●工作温度范围（AD8751A、AD8752A和AD8754A）：-40℃～+125℃；

●片芯温度范围（RM，RU和R封装）：-65℃～+150℃；

●焊接温度范围（60秒）：300℃。

2 工作原理

AD875x系列放大器是采用随机频率自调零稳定机制来获取高精度的CMOS放大器。逢纠正拓扑技术使得AD875x系列可以在相当宽的温度范围内保持很低的失调电压（典型值为1μV），而随机自调零时钟技术消除了放大器输出端的互调失真（IMD）误差，这两者的结合避免了放大器在高增益设计的同时不会引起输出端误差的增大。

每个AD875x运放都包含有两个放大器：一个主放大器和一个作为自调零用的从放大器。两放大器有两种工作模式：自调零阶段和放大输出阶段。

自调零放大器具有消除1/f噪声的能力。1/f噪声是存在于半导体器件的因有噪声，对每个倍频程的频率都有3dB的衰减。低频时，1/f噪声的存在会对子频或直流精度造成较大的偏差。而作为自校准运放的AD875x则不会增加低频下的1/f噪声，并且能将低频噪声当作缓慢变化的失调误差，通过自校准机制对其进行抑制，尤其在噪声频率近直流时，其抑制效果则更好。

AD875x作为普通运放可获取高达1MHz的单位增益带宽。在一个2kHz～4kHz的伪随机发生器的作用下，器件自调零的校准频率不断变化。AD875x的随机性的自调零时钟将产生连续的随机互调失真（IMD），但这种失真可以以平方根和的形式与放大器的电压噪声自然混合，从而使输出端免受（IMD）的干扰。

3 主要应用

3.1 5V应变测量电路

图2所示为AD875x用于单电源、精密应变测量系统的电路图。其中REF192用来为A2提供2.5V的精确参考电压，A2将该电压提升到4V并加到测定应变的电阻桥的上端点处。Q1为350Ω的电阻网络提供电流驱动。A1以满刻度的方式将电桥输出放大至[2(R1+R2)]/RB(R为负载电池的电阻)。

3.2 3V仪用放大器

AD875x系列具有的高共模抑制。高开环增益和可低至3V的工作电压等特点使之可用作分立的单电源仪用放大器中的运放。AD875x的供模抑制比大于120dB，但该系统的CMRR还可能受到外部电路的影响。图3即为由AD875x构成的简单差动放大器。

在理想的差动放大器中，可以将电阻值的比值设为：AV=R2/R1=R4/R3,则系统输出电压VOUT=AV(V1-V2)。

然而实际应用中这中个电阻并不能精确地成比例关系，共模抑制比也会受到影响而导致下降。图3中理论上的共模抑制比应为：

CMRR=(R1R4=2R2R4+R2R3)/（2R1R4-2R2R3）

在图4所示的三运放仪用放大器结果中，用四个阻值相等的电阻来钭输出端的差动放大顺设置为单位增益。如果电阻值误差为δ，则该仪用放大器的CMRR最小值为：CMRRMIN=14/2δ

即使1%的阻值误差也会使CMRR的偏差达0.02（34dB），因此要想使图4的电路获得高共模抑制比，就有必须采用高精度的电阻或附加微调电阻。其中微调电阻的阻值应调至满足CMRR计算公式中分母近似为零，只有这样，才可以得到最高的共模抑制比。

3.3 高精度热电偶放大器

图5所示为一个具有冷端补偿的K型热电阻放大器。既使在5V电源供电的情况下，在0℃～500℃的工范围内，AD8751同样可获得高于0.02℃的精度。D1用于检测温度以补偿与热电偶的冷端误差，因此需放置得越近越好。热电偶的一端浸泡于0℃的冰水混合物中，通过调节R6使输出为0V，且输出能以10mV/℃的灵敏度跟踪温度的变化。当对更大范的温度进行测量时，可将R9降至62kΩ。此时输出端将会有5mV/℃的变化，但检测范围将扩展至1000℃。

3.4 精密电流计

由于AD875x在低输入偏置电流和单电源下具有极好的失调电压，从而使其在精密电流的监测中成为一理想的放大器。轨对轨的输入特性使AD875x可对高端或低端的电流进行检测，且运用AD875中的双运放可以同时监控电流和负载回路或进行失真检测。图6为一高端电流检测的设计电路，图中运放的输入共模电压非常接近其正电源电压，同时又能保证测量的精确性。0.1Ω的电阻可对非反相输入端产生一电压降，调整放大器的输出可使该压降出现在反相输入端。这样，流过R1的电流在流经R2，得到的监控输出为：

VOUT=I2R2RSENSE/R1

以图6中的参数计算，可得到监控输出的传递函数为2.5V/A。

图7所示是一个等效的低端电流监控电路。图中，AD8572的输入电压接近或等于地。同样，0.1Ω的电阻用于提供正比于返回电流的电压。其输出电压为：

VOUT=VLRSENSER2/R1

利用图7中的参数可以得到输出从V降低的传递函数为-2.5V/A。

3.5 精密电压比较器

在开环工作状态下，AD875x的偏置电压小于50μV，因此可用作精密的电压比较器。在50mV的过载情况下，上升沿和下降沿分别会有15μs和8μs的延时。需注意的是，过载不要超过器件的最大差模电压。