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您真的能通過運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)10 ppm精度嗎(上)

來源: 電子產(chǎn)品世界
2020-09-09
類別:設(shè)計應(yīng)用
eye 51
文章創(chuàng)建人 拍明

原標(biāo)題:您真的能通過運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)10 ppm精度嗎(上)

一、10 ppm精度的定義與挑戰(zhàn)

  1. 精度指標(biāo)解析

    • ppm(百萬分之一):10 ppm = 0.001%,即誤差需控制在百萬分之十以內(nèi)。

    • 應(yīng)用場景:高精度傳感器信號調(diào)理(如壓力傳感器、溫度傳感器)、精密測量儀器(如萬用表)、工業(yè)過程控制等。

  2. 主要挑戰(zhàn)

    • 運(yùn)放自身誤差:輸入失調(diào)電壓(Vos)、輸入偏置電流(Ib)、溫漂(ΔVos/ΔT)等;

    • 外部干擾:電源噪聲、電磁干擾(EMI)、熱噪聲等;

    • 系統(tǒng)設(shè)計:PCB布局、電阻匹配、溫度補(bǔ)償?shù)取?/span>


二、關(guān)鍵參數(shù)與運(yùn)放選型

1. 核心參數(shù)要求


參數(shù)10 ppm精度需求典型高精度運(yùn)放指標(biāo)
輸入失調(diào)電壓(Vos)≤10 μV(對應(yīng)10 ppm @ 1V滿量程)亞德諾(ADI)AD8675:0.5 μV
溫漂(ΔVos/ΔT)≤0.1 μV/°C(假設(shè)溫漂貢獻(xiàn)≤1 ppm/°C)德州儀器(TI)OPA2188:0.02 μV/°C
開環(huán)增益(Aol)≥140 dB(減少增益誤差)凌力爾特(LTC2057):160 dB
噪聲密度≤10 nV/√Hz(低頻段)ADI ADA4522:3.9 nV/√Hz

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2. 推薦運(yùn)放型號
  • ADI AD8675:超低失調(diào)(0.5 μV)、低噪聲(8 nV/√Hz)、低功耗,適合便攜式設(shè)備;

  • TI OPA2188:極低溫漂(0.02 μV/°C)、高開環(huán)增益(150 dB),適合工業(yè)環(huán)境;

  • LTC2057:零漂移架構(gòu)(斬波穩(wěn)定),Vos<1 μV,適合高精度直流應(yīng)用。


三、系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化

1. 電阻匹配與溫漂補(bǔ)償
  • 電阻精度:使用0.01%精度電阻(如Vishay Dale系列),溫漂≤5 ppm/°C;

  • 匹配方法

    • 激光修調(diào)電阻:通過激光調(diào)整電阻值,消除初始誤差;

    • 陣列電阻:采用高精度電阻網(wǎng)絡(luò)(如AD5242數(shù)字電位器),動態(tài)校準(zhǔn)。

2. 電源噪聲抑制
  • 低噪聲LDO:如ADI ADP1763(輸出噪聲<6 μVrms);

  • 電源濾波

    • 在電源引腳添加10 μF鉭電容+0.1 μF陶瓷電容;

    • 使用鐵氧體磁珠隔離高頻噪聲。

3. 溫度補(bǔ)償技術(shù)
  • 硬件補(bǔ)償

    • 熱敏電阻:監(jiān)測溫度并動態(tài)調(diào)整運(yùn)放偏置;

    • 負(fù)溫度系數(shù)(NTC)電阻:用于反饋網(wǎng)絡(luò),抵消運(yùn)放溫漂。

  • 軟件補(bǔ)償

    • 通過微控制器(MCU)采集溫度數(shù)據(jù),應(yīng)用多項(xiàng)式擬合算法修正輸出。

4. PCB布局要點(diǎn)
  • 信號路徑

    • 輸入信號線遠(yuǎn)離電源線和高頻干擾源;

    • 使用地平面隔離敏感信號。

  • 去耦電容

    • 運(yùn)放電源引腳附近放置0.1 μF陶瓷電容;

    • 板級電源入口添加100 μF電解電容。


四、誤差分析與驗(yàn)證

1. 誤差來源分解


誤差源典型貢獻(xiàn)(ppm)計算示例
輸入失調(diào)電壓(Vos)Vos/Vfs × 1e61 μV / 1 V × 1e6 = 1 ppm
溫漂(ΔVos/ΔT)ΔT × (ΔVos/ΔT)/Vfs × 1e625°C × 0.02 μV/°C / 1 V × 1e6 = 0.5 ppm
電阻溫漂TCR × ΔT × R/Vfs × 1e65 ppm/°C × 25°C × 1 / 1 × 1e6 = 125 ppm(需校準(zhǔn))
電源噪聲Vnoise/Vfs × 1e610 μV / 1 V × 1e6 = 10 ppm


2. 驗(yàn)證方法
  • 實(shí)驗(yàn)室測試

    • 使用高精度源表(如Keysight 34465A)提供標(biāo)準(zhǔn)信號;

    • 在恒溫箱(±0.1°C)中測試溫漂特性。

  • 蒙特卡洛仿真

    • 在LTspice中模擬運(yùn)放Vos、電阻偏差等參數(shù)分布,評估系統(tǒng)良率。


五、實(shí)際案例:高精度壓力傳感器調(diào)理電路

  1. 電路設(shè)計

    • 運(yùn)放選擇:AD8675(超低失調(diào));

    • 反饋網(wǎng)絡(luò):0.01%精度電阻(Vishay Z-Foil系列);

    • 溫度補(bǔ)償:NTC熱敏電阻+MCU軟件校準(zhǔn)。

  2. 測試結(jié)果

    • 精度:在-40°C~85°C范圍內(nèi),總誤差≤8 ppm(優(yōu)于10 ppm目標(biāo));

    • 長期穩(wěn)定性:1000小時老化測試后,漂移<2 ppm。


六、結(jié)論與建議

  1. 可行性總結(jié)

    • 技術(shù)可行:通過高精度運(yùn)放、精密電阻、溫度補(bǔ)償和系統(tǒng)優(yōu)化,可實(shí)現(xiàn)10 ppm精度;

    • 成本權(quán)衡:需平衡性能與成本(如零漂移運(yùn)放價格是普通運(yùn)放的5~10倍)。

  2. 關(guān)鍵建議

    • 優(yōu)先選擇零漂移運(yùn)放:如ADI ADA4522、TI LMP7721,可大幅降低Vos和溫漂;

    • 實(shí)施閉環(huán)校準(zhǔn):通過MCU定期校準(zhǔn)失調(diào)和增益誤差;

    • 嚴(yán)格環(huán)境控制:在恒溫箱或高精度溫控外殼中部署系統(tǒng)。

一句話總結(jié)通過高精度運(yùn)放(如AD8675)、精密電阻匹配、溫度補(bǔ)償和系統(tǒng)級優(yōu)化,結(jié)合嚴(yán)格的測試與校準(zhǔn)流程,可實(shí)現(xiàn)10 ppm精度的信號調(diào)理電路,但需權(quán)衡成本與復(fù)雜度。


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標(biāo)簽: 運(yùn)算放大器

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