[参考译文] 超低功耗仪表放大器

您好、Vaidas、

当低 工作电流是最关键的因素时、其他电气性能必须受到影响。 受影响最大的是带宽和噪声。 但是、如果用户的应用可以接受这些放大器、则可以实现极低的电流仪表放大器。

TI 的最新 精密 、极低电源电流运算放大器是 LPV821。 其静态电流通常为650nA。 因此，在3级运算放大器仪表放大器(INA)配置中配置的三个运算放大器的电源电流约为2uA。 如果您的应用可以使用 2运算放大器 INA 配置、则电流甚至会降低三分之一。 您可以在此处查看 LPV821数据表：

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lpv821.pdf

下面、我将三个 LPV821运算放大器配置为一个3运算放大器 INA。 静态电流为2.1uA、电源电流随着输出摆幅增大而增大。 电流增加的原因 是流经反馈和输入电阻器的电流较高、充当运算放大器输出上的负载。

在该电路中使用 LPV821时、带宽约为32.5Hz。

还有另一个静态电流与 LPV821 OPA369相当的 TI 运算放大器。 它的直流精度不如 LPV821、但在同一电路中确实提供了更多的带宽。 3dB 带宽约 为243Hz、电流仅为较高的一小部分。 下面是通过它获得的响应：

您可以 在此处找到适用于 LPV821和 OPA369 INAS 的 TINA Spice 仿真电路：

e2e.ti.com/.../LPV821_5F00_INA_5F00_01.TSC

e2e.ti.com/.../OPA369_5F00_INA_5F00_01.TSC

如前所述、还有一个可能可用的双运算放大器 INA 配置、其静态电流较低。 OPA369数据表中的图片如下：

请注意、对于任何 INA、必须对相似值电阻器进行紧密匹配。 如果您发现其中一个建议的 INA 电路满足您的基本要求、您将发现下一个障碍是以可接受的成本查找紧密匹配的电阻器！

此致、Thomas

精密放大器应用工程

你(们)好

我只需要放大正信号。

在我们的原理图中、输入信号具有1.3V 的虚拟接地(传感器的最小虚拟接地为1V)、但输出信号我需要 以 MCU 的接地为基准。 我们将 R6接地、并让电流流经电阻器 R3、R4、R5、R6。

查看下面的原理图。

我需要的信号带宽仅为1Hz。  

您好、Vaidis、

好的、U1A 和 U1B 应用于电位静态传感器电路、然后是 构成仪表放大器的 U2A、U2B 和 U3A。 U3是直接同相增益放大器。 如果您希望  提高仪表放大器的 CMRR 和更高的增益精度、我建议使用0.1%容差电阻器、而不是1%容差电阻器。 成本 更高一点、但上述电气性能 应通过它们来提高。  

这一切看起来都是合理的、除了在 U3B 输出上的 C5、1nF。 超低电流运算放大器具有高且复杂的开环输出阻抗(Zo)(R+/-JX)、并且可能随频率变化很大。 当  Zo 在  输出端添加负载电容时、可能会导致相位裕度大幅下降。  进而 可能导致不良的瞬态响应、甚至振荡。 您可能需要 检查 U3B 是否足够稳定。

此致、Thomas

精密放大器应用工程  

你(们)好

我了解 U3B 的相关信息。 我将解决这个问题。

但问题是 R15、R12、R20和 R21电阻 器(我需要降低功耗)有多大、才能使用 TLV8811运算放大器实现 U2A、U2B 和 U3A 的稳定运行？

瓦伊达斯

您好、Vaidas、

TLV8811由 TI 内部的另一个放大器组织开发。 由于我不太熟悉运算放大 器、我需要测试仿真模型以确保其具有正确的开环增益(AOL)和开环输出阻抗(Zo)特性。 为了 执行有意义的稳定性分析、必须为模型正确建模这些模型。 我运行了测试、发现 AOL 和 Zo 接近于  数据表中所示的值。 我决定像  在 INA 的差分放大器级中一样、在所有4个电阻器都设置为1兆欧姆的情况下运行稳定性分析、以查看产生的相位裕度。 在输出端添加了一个10pF 电容器、以考虑杂散电容和任何小负载电容。

所有电阻设置为1兆欧时的结果表明、相位裕度为67度、这非常好。 您可以看到以下结果。 我们力求达到45度或以上以确保稳定性。 由于存在大量相位裕度 、因此您应该能够将电阻器增加几倍、并且仍然保持足够的相位裕度。

我认为、值非常大的电阻器的更大问题是热噪声、即：

4kTRΔf =√μ F (μ F)

其中：K =玻尔兹曼常数1.38e-23 J/K、T =温度开尔文、R =电阻、单位为欧姆、ΔF =噪声带宽。

在电阻非常大的情况下、热噪声可能成为主要因素。

此致、Thomas

精密放大器应用工程

你(们)好

我接下来的问题是：

R8   、R7分压器的最大安全电阻是多少？  

2.我们必须在 U3B 和 C5之间放置什么 Riso？

我们是否需要为运算放大器输入放置保护二极管？

瓦伊达斯

您好、Vidas、

R8   、R7分压器的最大安全电阻是多少？

R8、R7分压器建立 TLV8811将使用的共模电压(VCM)。 电流值导致 VCM 约为+1.3V、这几乎是为 U1供电的+3V 电源的一半。 TLV8811 VCM 输入范围为0V 至大约(V+)-0.9V；因此、您需要确保保持该范围。 当然、陶瓷传感器具有最佳的电压要求、这些要求对于确定使用的电压至关重要。

2.我们必须在 U3B 和 C5之间放置什么 Riso？

TLV8811具有非常高的复数输出阻抗。 就其输出而言、驱动1nF 负载电容是一个非常大的负载电容。 当我在没有 Riso 的情况下直接在输出端进行1nF 稳定性分析时、相位裕度为负、运算放大器将振荡。 理想的 Riso 接近1兆欧姆、从应用角度来看、这可能是不可接受的。 我使用较低值的电阻器进行了一些测试、以查看是否可以获得可接受的相位裕度。 下面的结果是使用100K 的 Riso 获得的。相位裕度为42度、这应足以确保驱动1nF 负载时的稳定性。 如果无法容忍 Riso 上的压降、则可以采用双反馈方法来校正压降。

我们是否需要为运算放大器输入放置保护二极管？

TLV8811具有内置的 ESD 保护。 一旦将运算放大器安装到电位静态传感器电路板中、就无需再进行任何操作。

此致、Thomas

精密放大器应用工程

vidas、

上一波特图中的第二个图形应标记为"相位(度数)"、而不是"电压"。 不确定 TINA 为何决定这么做。

Thomas

你(们)好

感谢您的回答。

第一个问题是关于分压器电阻。 现在为900k、因此 通过分压器的电流为~3uA。 我可以将其降低到1uA 吗？  例如、电阻分压器为3M？

是否需要将电容器与 R7并联？

您好、Vaidis、

TLV8811具有极低的输入偏置电流。 它在数据表中列出、典型值为+/-100fA。 因此、由于 TLV8811输入偏置电流、R7、R8分压器的电流负载很小。 可以增大两个分压电阻器的值以降低电池的电流消耗。 较高的电阻确实会导致较高的热噪声、但这是正常且不可避免的。  

在 R7上添加一个电容器将会降低一些噪声、尤其是当噪声频率增加时。 这可能是一个理想的功能、如果来自意外来源的任何射频进入电路、这可能会很有帮助。 然而、在 R7上添加一个电容器将建立一 个 RC 网络、此网络也许具有一个长时间常量。 因此、一旦电路首次通电、VCM 将需要一段时间才能达到最终电平。 这可能是您的应用所关心的问题、也可能不是。

此致、Thomas

精密放大器应用工程

因此、我们可以将电流降低到 R7/R8分压器的1uA。  我明白答案 是肯定的吗？

一些小电容器将有助于降低噪声。

具有 TLV8812的仪表放大器 工作正常。 我们进行了测试。

现在、我们将尝试将 TLV8812用于电位器电路。 我将通知结果。  

瓦伊达斯

您好、Vaidis、

TLV8812工作正常、 可满足应用中极低工作电流 INA 部分的要求、这一点很好。 它 也应该在电位器应用中运行良好。 极低的+/-100fA 输入(典型值)偏置电流 是该应用的理想选择。

请务必告知 我们您从 TLV8812收到  的有关完整应用的结果。

此致、Thomas

精密放大器应用工程

此外、请记住、如果您的要求仅为1Hz、那么您现在处于1/f 噪声区域、在1Hz 时、TLV8811的噪声高达500nV。 可能应该为整个东西运行输出 SNR、  

之前有一个使用 LPV821的文件显示2Vpp、对于 SNR 仿真为0.707Vrms。 您的电流电路可能会尝试类似这样的方法。  

您好、Vaidas、

如果您现在已经掌握了所需的信息、并且可以关闭此 e2e 查询、那么对于我们支持精密放大器论坛的人员来说将会很有帮助。 如果您需要重新开始讨论、可以随时开始新的 e2e 咨询。

谢谢、Thomas

精密放大器应用工程