AD8571/AD8572/AD8574：零漂移單電源軌到軌運(yùn)放的卓越之選

在電子工程師的設(shè)計生涯中，選擇合適的運(yùn)算放大器（op amp）至關(guān)重要。今天要給大家介紹的是Analog Devices公司的AD8571/AD8572/AD8574系列零漂移單電源軌到軌輸入/輸出運(yùn)算放大器，它在諸多方面表現(xiàn)出色，能滿足多種應(yīng)用需求。

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特性亮點(diǎn)

高精度參數(shù)

• 超低失調(diào)電壓：僅1 μV的失調(diào)電壓，這在需要高精度的應(yīng)用中是非常關(guān)鍵的。比如在溫度傳感器、壓力傳感器等應(yīng)用里，微小的失調(diào)電壓能有效減少測量誤差，提高測量的準(zhǔn)確性。
• 低輸入失調(diào)漂移：輸入失調(diào)漂移為0.005 μV/°C，這意味著在較寬的溫度范圍內(nèi)，放大器的性能依然穩(wěn)定，不會因?yàn)闇囟茸兓a(chǎn)生較大的失調(diào)誤差。像在汽車電子等對溫度范圍要求較寬的應(yīng)用場景中，能保證系統(tǒng)的可靠性。
• 高增益：典型增益可達(dá)145 dB，如此高的增益使得放大器能夠?qū)ξ⑷?a target="_blank">信號進(jìn)行有效的放大，適用于各種需要信號放大的場合。
• 高共模抑制比（CMRR）和電源抑制比（PSRR）：CMRR典型值為140 dB，PSRR典型值為130 dB。這兩個參數(shù)表明放大器對共模信號和電源波動具有很強(qiáng)的抑制能力，能有效減少外界干擾對輸出信號的影響。

其他特性

• 軌到軌輸入輸出：允許輸入和輸出信號在接近電源軌的范圍內(nèi)擺動，這使得放大器能夠充分利用電源電壓，提高動態(tài)范圍，適用于各種單電源供電的應(yīng)用。
• 單電源供電：可在2.7 V至5 V的單電源下工作，降低了電源設(shè)計的復(fù)雜度，同時也適用于電池供電等低功耗應(yīng)用場景。
• 超低輸入偏置電流：典型值為10 pA，這意味著放大器對輸入信號的負(fù)載影響極小，能更好地處理微弱信號。
• 低電源電流：每個運(yùn)放的電源電流僅為750 μA，有助于降低系統(tǒng)功耗，延長電池續(xù)航時間。
• 過載恢復(fù)時間短：過載恢復(fù)時間僅為50 μs，能夠快速從過載狀態(tài)恢復(fù)正常工作，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。
• 無需外部電容：簡化了電路設(shè)計，減少了電路板的面積和成本。

應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

傳感器應(yīng)用

• 溫度傳感器：超低的失調(diào)電壓和漂移特性，使得放大器能夠準(zhǔn)確地放大溫度傳感器輸出的微弱信號，提高溫度測量的精度。
• 壓力傳感器：在壓力測量中，需要高精度的放大器來處理傳感器輸出的信號。AD8571/AD8572/AD8574的高增益和低失調(diào)特性能夠滿足這一需求，確保壓力測量的準(zhǔn)確性。
• 應(yīng)變計放大器：應(yīng)變計輸出的信號通常非常微弱，需要高增益、低失調(diào)的放大器進(jìn)行放大。該系列放大器的出色性能使其成為應(yīng)變計放大器的理想選擇。

醫(yī)療儀器

在醫(yī)療儀器中，對信號的精度和穩(wěn)定性要求極高。AD8571/AD8572/AD8574的高精度和低噪聲特性，能夠滿足醫(yī)療儀器對信號處理的嚴(yán)格要求，例如心電圖機(jī)、血壓計等設(shè)備。

熱電偶放大器

熱電偶輸出的信號也很微弱，且容易受到環(huán)境因素的影響。該系列放大器的高增益、低失調(diào)和良好的抗干擾能力，能夠有效地放大熱電偶輸出的信號，提高測量的準(zhǔn)確性。

放大器架構(gòu)解析

每個AD8571/AD8572/AD8574運(yùn)放由主放大器和輔助放大器組成。主放大器用于放大輸入信號，輔助放大器則用于校正主放大器的失調(diào)電壓。輸入級采用NMOS和PMOS差分對并行工作的方式，使得輸入共模電壓范圍能夠達(dá)到電源軌。輸出級采用共源配置的兩個輸出晶體管，實(shí)現(xiàn)了寬電壓擺動。不過，輸出電壓范圍會受到晶體管漏源電阻的限制，在重負(fù)載電流情況下，輸出電壓可能無法像輕負(fù)載時那樣接近電源軌。

基本自動調(diào)零放大器理論

自動校正放大器并非新技術(shù)，但AD8571/AD8572/AD8574在設(shè)計上有顯著的性能提升和成本降低。該系列放大器通過隨機(jī)頻率自動調(diào)零穩(wěn)定技術(shù)來實(shí)現(xiàn)高精度。其工作分為自動調(diào)零階段和放大階段：

自動調(diào)零階段

所有ΦA(chǔ)開關(guān)閉合，ΦB開關(guān)打開。輔助放大器的兩個輸入短路，其失調(diào)電壓出現(xiàn)在輸出端，并存儲在內(nèi)部電容CM1上。

放大階段

ΦB開關(guān)閉合，ΦA(chǔ)開關(guān)打開。CM1上的電壓用于校正輔助放大器的誤差，從而有效降低了放大器的失調(diào)電壓。通過這種自動校正方案，主放大器和輔助放大器的失調(diào)電壓都被增益因子BA大幅降低，使得放大器的有效輸入失調(diào)電壓達(dá)到亞微伏級別，實(shí)現(xiàn)了極高的精度。

性能優(yōu)化與注意事項

布局優(yōu)化

為了充分發(fā)揮AD8571/AD8572/AD8574的高性能，在電路板布局時需要注意以下幾點(diǎn)：

• 保持PCB表面清潔干燥：避免相鄰走線之間產(chǎn)生泄漏電流，可采用表面涂層的方式減少表面水分和寄生電阻。
• 使用保護(hù)環(huán)：在放大器輸入周圍設(shè)置保護(hù)環(huán)，可有效減少泄漏電流。保護(hù)環(huán)的電壓應(yīng)與同相輸入端的電壓相等，以最小化寄生電容。
• 減少熱電電壓誤差：熱電電壓是由不同金屬連接處的溫度差產(chǎn)生的。可通過使用假元件來匹配熱電誤差源，保持電路板環(huán)境溫度恒定，以及使用接地平面來減少熱電電壓誤差和電磁干擾。

噪聲考慮

放大器的總寬帶噪聲輸出主要由放大器的輸入電壓噪聲、輸入電流噪聲和外部電阻的約翰遜噪聲組成。這些噪聲源相互獨(dú)立，其總噪聲以均方根和的方式相加。在設(shè)計時，需要根據(jù)具體應(yīng)用合理選擇外部電阻，以降低噪聲影響。當(dāng)源電阻小于172 kΩ時，輸入電壓噪聲起主導(dǎo)作用；當(dāng)源電阻大于172 kΩ時，電阻的約翰遜噪聲成為主要噪聲源。

其他性能考慮

• 輸出過載恢復(fù)：該系列放大器的過載恢復(fù)時間僅為200 μs，相比其他自動校正放大器具有明顯優(yōu)勢。在設(shè)計時，可通過特定的測試方法來測量過載恢復(fù)時間，確保系統(tǒng)在過載情況下能夠快速恢復(fù)正常工作。
• 輸入過壓保護(hù)：雖然是軌到軌輸入放大器，但要注意輸入之間的電位差不超過5 V。當(dāng)輸入超過電源軌0.3 V時，ESD保護(hù)二極管可能會導(dǎo)通，過大的電流可能會損壞器件。因此，在輸入可能出現(xiàn)過壓的情況下，應(yīng)適當(dāng)插入限流電阻。
• 輸出相位反轉(zhuǎn)：在設(shè)計時要確保兩個輸入都在電源電壓范圍內(nèi)，以防止輸出相位反轉(zhuǎn)。如果輸入超過電源電壓，可在輸入串聯(lián)電阻來限制電流，保證輸出相位正常。
• 容性負(fù)載驅(qū)動：AD8571/AD8572/AD8574具有良好的容性負(fù)載驅(qū)動能力，可從5 V單電源安全驅(qū)動高達(dá)10 nF的負(fù)載。但容性負(fù)載會限制放大器的帶寬，并增加輸出的過沖和振鈴?？墒褂肦C緩沖網(wǎng)絡(luò)來減少這些影響，緩沖網(wǎng)絡(luò)的電阻和電容值需要根據(jù)負(fù)載電容進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)性調(diào)整。
• 上電行為：上電時，放大器能在5 μs內(nèi)穩(wěn)定到有效輸出，相比其他自動校正放大器速度更快。

應(yīng)用電路示例

5 V精密應(yīng)變計電路

AD8572的超低失調(diào)電壓使其非常適合用于需要高精度和高增益的應(yīng)變計應(yīng)用。通過REF192提供2.5 V的精密參考電壓，經(jīng)A2放大器提升為4.0 V作為應(yīng)變計電阻橋的參考電壓。A1用于放大橋路的輸出，輸出電壓可根據(jù)橋路電阻和負(fù)載電阻的變化線性變化，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)變的精確測量。

3 V儀表放大器

AD8571/AD8572/AD8574的高共模抑制比、高開環(huán)增益和低至3 V的工作電壓，使其成為單電源儀表放大器的理想選擇。在設(shè)計時，要注意外部電阻的公差會影響系統(tǒng)的共模抑制比，可通過使用高精度電阻或額外的微調(diào)電阻來提高系統(tǒng)的性能。

高精度熱電偶放大器

以K型熱電偶放大器為例，AD8571在5 V電源下能夠提供足夠的精度，實(shí)現(xiàn)0°C至500°C范圍內(nèi)優(yōu)于0.02°C的分辨率。通過D1作為溫度測量裝置進(jìn)行冷端補(bǔ)償，調(diào)整R6可使輸出在熱電偶測量端處于0°C冰浴時為0 V。通過調(diào)整R9的值，還可以擴(kuò)展溫度測量范圍。

精密電流計

由于其低輸入偏置電流和單電源下的出色失調(diào)電壓特性，AD8571/AD8572/AD8574可作為高精度電流監(jiān)測放大器。其軌到軌輸入允許作為高端或低端電流監(jiān)測器使用，通過測量電阻上的電壓降來實(shí)現(xiàn)對電流的精確監(jiān)測。

精密電壓比較器

AD8571/AD8572/AD8574可開環(huán)運(yùn)行作為精密比較器，失調(diào)電壓小于50 μV。在使用時要注意確保不超過器件的最大差分電壓，以避免損壞器件。

封裝與訂購信息

AD8571單運(yùn)放有8引腳MSOP和窄體SOIC封裝；AD8572雙運(yùn)放有8引腳窄體SOIC和表面貼裝TSSOP封裝；AD8574四運(yùn)放有14引腳窄體SOIC和TSSOP封裝。在訂購時，可根據(jù)具體的應(yīng)用需求和電路板布局選擇合適的封裝和型號。

綜上所述，AD8571/AD8572/AD8574系列運(yùn)算放大器憑借其高精度、低功耗、寬溫度范圍等優(yōu)點(diǎn)，在各種敏感測量和汽車應(yīng)用中具有很大的優(yōu)勢。電子工程師在設(shè)計相關(guān)電路時，可以充分考慮該系列放大器的特性，以實(shí)現(xiàn)高性能、低成本的設(shè)計目標(biāo)。大家在實(shí)際應(yīng)用中是否也遇到過類似的放大器選擇問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。