工程师百问百答——放大、电平搬移和驱动精密系统

放大器是数据采集和传输系统的主要器件。它们采集并放大来自传感器和变送器的低电平信号,可从高噪声和高共模电压水平的环境下提取出这些信号。此外,放大器可以改变信号范围,并实现单端-差分转换(或差分-单端转换),以便完全匹配ADC的输入范围。 

ADI在线设计峰会2013,在10月底举办了“放大、电平搬移和驱动精密系统”的主题研讨会,会后咱们的专家,放大器应用工程师David对大家各种问题给出了详细的解答,我们选出了其中具有代表性的问题,整理分享给大家。关于更多“ADI在线设计峰会2013”相关内容,请点击http://ezchina.analog.com/message/9778#9778

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    •  Analog Employees 
    on Nov 28, 2013 8:24 AM

     

    【问】

    轨到轨是什么意思?

    【答】

    轨到轨输出放大器是指输出可以非常接近电源轨,比如单电源5V供电时,输出可以非常接近0V或5V,但有多接近还与负载需要的电流有关。

    【问】

    请问使用仪表运放,如何降低1/F噪声?

    【答】

    1/f噪声是放大器固有的,如果要求高,可以在外加fc较低的低通滤波器对噪声进行滤除,但有源低通滤波器也会引入额外的噪声。所以比较建议使用噪声较低的放大器。仪表放大器来讲,可以考虑AD8429,目前是ADI噪声最低的仪放了。

    【问】

    如何减少噪声的影响呢?

    【答】

    噪声分外部噪声和内部噪声,外部噪声比较广泛,原则上我们可以选择高CMRR的放大器,同时对电路板做好屏蔽,使得外部噪声无法耦合进模拟前端;内部噪声的话,建议选择低噪声器件。

    【问】

    请问对于正负供电的放大器,可以用只用正电压供电吗?

    【答】

    可以。但要注意此时放大器的输入输出范围。比如非轨到轨的放大器,如果单电源供电的话,输入无法是0V或电源电压,输出也有类似的问题。

    【问】

    运放需要加正负电源是么?

    【答】

    不一定。取决于您的输入信号及要求的输出信号。有些应用为了省去负电源,但同时还要求输入可以是0V,这时,可以选择轨到轨输入的放大器或者Singlesupply Amplifier.

    【问】

    抑制电路外部噪声的方法有哪些?

    【答】

    电路外部噪声包括射频干扰,220V工频干扰以及供电电源噪声。射频干扰可以通过屏蔽以及在模拟前端前加RFI滤波器来解决;220V工频干扰也可通过屏蔽或在电路中加50Hz陷波器来解决;电源噪声需要在板上电源进来的地方加EMI滤波器等来滤除电源噪声,使得给芯片供电的电源变得干净。

    【问】

    我用的系统主要是电池供电,单电源,3V,所以你说的那个芯片我看过,是双电源供电,A8553我们正在用,但是他的噪声在一些地方不可以满足要求

    【答】

    AD8553是auto zero技术的仪放,特点是失调电压小。您可以看下AD8237,也是一颗低压,auto zero的仪放,另外它的功耗很小,比较适合您电池供电的应用。

    【问】

    我现在采用两个ADA4528来自己搭放大,你们有这方面的例子么

    【答】

    我们有一个实验室电路CN0216,里面用到了2片ADA4528-1来对电桥信号进行放大。您也可以用1片ADA4528-2来实现。相关资料请点击:http://www.analog.com/static/imported-files/zh/circuit_notes/CN0216_cn.pdf

    【问】

    在做EMC抗干扰试验中,运放如何设计才能取得好的效果?

    【答】

    可以在运放输入及电源脚加上EMI滤波器来帮助通过EMC认证。也可以直接选择ADI集成EMI滤波器的放大器,如AD8657,AD8546,ADA4661

    【问】

    怎么保证100万倍的放大电路中没引入噪声?

    【答】

    放大100万倍很有难度啊,首先得选择噪声非常小的器件,另外屏蔽滤波也得做好以抑制外部噪声干扰和滤除感兴趣带宽外噪声。

    【问】

    ADI零漂移运放都是斩波型的吗?

    【答】

    我们的zero-drift都不是纯粹的Chopper。我们有三种技术来实现zero-drift。

    【问】

    用仪表放大器能改成电荷放大器吗?直接用电荷放大器的话感觉CMRR不怎么好。

    【答】

    应该不行。仪表放大器是差分转单端,电荷放大器似乎是单端转单端。

    【问】

    斩波频率和信号频率在同一范围内,斩波产生的噪声怎么克服?

    【答】

    最好的办法是选择其他“斩波频率和信号频率不在同一范围”的器件。

    【问】

    怎样放大nV级的低频模拟信号?

    【答】

    以现在的芯片,是没可能的。

    【问】

    运放都是单电源吗?

    【答】

    运放都可以单电源或是双电源供电,不过输入和输出范围会发生变化。比如,非轨到轨输入的放大器单电源供电时,输入不能到0V。

    【问】

    为什么用两个运放+差动放大器构成仪表放大器,为什么不直接用AD8221 仪表放大器?

    【答】

    离散的方案灵活性较大,简单说,就是用户可以根据自己需要设计最满足自己应用的仪放。比如有的应用不要求性能,值要求成本更低;有的应用要求带宽更高,集成的仪放满足不了这些要求。

    【问】

    有没有直流小电机电流测量用的放大器推荐.特点是启动电流大(5A),平稳运行电流很小(100mA).响应速度要快.

    【答】

    强力推荐AD8418,这是一款性能非常好价格也不贵的电流检测放大器。

    【问】

    怎么确定容性负载?特别是做ADC驱动时,不可避免要驱动容性负载

    【答】

    这个不太好定量,可以通过测试运放输出过冲来大概估计下。所以一般会在输出脚和电容间串一小电阻,在芯片资料里应有相关论述,可参考ADA4940-1资料第25页Figure71 http://www.analog.com/zh/specialty-amplifiers/differential-amplifiers/ada4940-1/products/product.html

    【问】

    试验电路中桥电路是使用AD4528+AD7791,如果不使用放大,直接把桥电压mv信号接入AD7730,这种方案可行不?

    【答】

    一般集成在ADC内部的PGA或是放大器性能没有独立的放大器性能好。这就是为什么外部用ADA4528的原因。

    【问】

    用运放做有源滤波器应该注意哪些参数?

    【答】

    好问题。首先是带宽,要保证带宽是fc频率的100倍;其次是THD;其他的如电源,输入输出电压范围都是需要注意的。建议使用我们在线的滤波器工具帮助设计。

    【问】

    用这些放大器要不要做AGND与GND分开?

    【答】

    放大器属于模拟器件,所以电路板上应该放在模拟电路区域。

    【问】

    是不是集成的放大器在其性能和各参数方面都要比离散的放大器的好啊?

    【答】

    集成放大器是面向特殊应用的器件,有很强的争对性。比如仪放的高CMRR,低offset,低bias current是离散方案不太好达到的。但离散方案的特点是灵活,对于一些非常特殊少见的应用,离散的方案更能满足要求。

    【问】

    当需要较大放大倍数时往往采用多级放大,这是基于什么考虑?

    【答】

    放大器的增益带宽积是固定的,增益和带宽是矛盾的关系。若要保证一定的带宽,增益需分级处理。

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    •  Analog Employees 
    on Nov 28, 2013 8:24 AM

     

    【问】

    轨到轨是什么意思?

    【答】

    轨到轨输出放大器是指输出可以非常接近电源轨,比如单电源5V供电时,输出可以非常接近0V或5V,但有多接近还与负载需要的电流有关。

    【问】

    请问使用仪表运放,如何降低1/F噪声?

    【答】

    1/f噪声是放大器固有的,如果要求高,可以在外加fc较低的低通滤波器对噪声进行滤除,但有源低通滤波器也会引入额外的噪声。所以比较建议使用噪声较低的放大器。仪表放大器来讲,可以考虑AD8429,目前是ADI噪声最低的仪放了。

    【问】

    如何减少噪声的影响呢?

    【答】

    噪声分外部噪声和内部噪声,外部噪声比较广泛,原则上我们可以选择高CMRR的放大器,同时对电路板做好屏蔽,使得外部噪声无法耦合进模拟前端;内部噪声的话,建议选择低噪声器件。

    【问】

    请问对于正负供电的放大器,可以用只用正电压供电吗?

    【答】

    可以。但要注意此时放大器的输入输出范围。比如非轨到轨的放大器,如果单电源供电的话,输入无法是0V或电源电压,输出也有类似的问题。

    【问】

    运放需要加正负电源是么?

    【答】

    不一定。取决于您的输入信号及要求的输出信号。有些应用为了省去负电源,但同时还要求输入可以是0V,这时,可以选择轨到轨输入的放大器或者Singlesupply Amplifier.

    【问】

    抑制电路外部噪声的方法有哪些?

    【答】

    电路外部噪声包括射频干扰,220V工频干扰以及供电电源噪声。射频干扰可以通过屏蔽以及在模拟前端前加RFI滤波器来解决;220V工频干扰也可通过屏蔽或在电路中加50Hz陷波器来解决;电源噪声需要在板上电源进来的地方加EMI滤波器等来滤除电源噪声,使得给芯片供电的电源变得干净。

    【问】

    我用的系统主要是电池供电,单电源,3V,所以你说的那个芯片我看过,是双电源供电,A8553我们正在用,但是他的噪声在一些地方不可以满足要求

    【答】

    AD8553是auto zero技术的仪放,特点是失调电压小。您可以看下AD8237,也是一颗低压,auto zero的仪放,另外它的功耗很小,比较适合您电池供电的应用。

    【问】

    我现在采用两个ADA4528来自己搭放大,你们有这方面的例子么

    【答】

    我们有一个实验室电路CN0216,里面用到了2片ADA4528-1来对电桥信号进行放大。您也可以用1片ADA4528-2来实现。相关资料请点击:http://www.analog.com/static/imported-files/zh/circuit_notes/CN0216_cn.pdf

    【问】

    在做EMC抗干扰试验中,运放如何设计才能取得好的效果?

    【答】

    可以在运放输入及电源脚加上EMI滤波器来帮助通过EMC认证。也可以直接选择ADI集成EMI滤波器的放大器,如AD8657,AD8546,ADA4661

    【问】

    怎么保证100万倍的放大电路中没引入噪声?

    【答】

    放大100万倍很有难度啊,首先得选择噪声非常小的器件,另外屏蔽滤波也得做好以抑制外部噪声干扰和滤除感兴趣带宽外噪声。

    【问】

    ADI零漂移运放都是斩波型的吗?

    【答】

    我们的zero-drift都不是纯粹的Chopper。我们有三种技术来实现zero-drift。

    【问】

    用仪表放大器能改成电荷放大器吗?直接用电荷放大器的话感觉CMRR不怎么好。

    【答】

    应该不行。仪表放大器是差分转单端,电荷放大器似乎是单端转单端。

    【问】

    斩波频率和信号频率在同一范围内,斩波产生的噪声怎么克服?

    【答】

    最好的办法是选择其他“斩波频率和信号频率不在同一范围”的器件。

    【问】

    怎样放大nV级的低频模拟信号?

    【答】

    以现在的芯片,是没可能的。

    【问】

    运放都是单电源吗?

    【答】

    运放都可以单电源或是双电源供电,不过输入和输出范围会发生变化。比如,非轨到轨输入的放大器单电源供电时,输入不能到0V。

    【问】

    为什么用两个运放+差动放大器构成仪表放大器,为什么不直接用AD8221 仪表放大器?

    【答】

    离散的方案灵活性较大,简单说,就是用户可以根据自己需要设计最满足自己应用的仪放。比如有的应用不要求性能,值要求成本更低;有的应用要求带宽更高,集成的仪放满足不了这些要求。

    【问】

    有没有直流小电机电流测量用的放大器推荐.特点是启动电流大(5A),平稳运行电流很小(100mA).响应速度要快.

    【答】

    强力推荐AD8418,这是一款性能非常好价格也不贵的电流检测放大器。

    【问】

    怎么确定容性负载?特别是做ADC驱动时,不可避免要驱动容性负载

    【答】

    这个不太好定量,可以通过测试运放输出过冲来大概估计下。所以一般会在输出脚和电容间串一小电阻,在芯片资料里应有相关论述,可参考ADA4940-1资料第25页Figure71 http://www.analog.com/zh/specialty-amplifiers/differential-amplifiers/ada4940-1/products/product.html

    【问】

    试验电路中桥电路是使用AD4528+AD7791,如果不使用放大,直接把桥电压mv信号接入AD7730,这种方案可行不?

    【答】

    一般集成在ADC内部的PGA或是放大器性能没有独立的放大器性能好。这就是为什么外部用ADA4528的原因。

    【问】

    用运放做有源滤波器应该注意哪些参数?

    【答】

    好问题。首先是带宽,要保证带宽是fc频率的100倍;其次是THD;其他的如电源,输入输出电压范围都是需要注意的。建议使用我们在线的滤波器工具帮助设计。

    【问】

    用这些放大器要不要做AGND与GND分开?

    【答】

    放大器属于模拟器件,所以电路板上应该放在模拟电路区域。

    【问】

    是不是集成的放大器在其性能和各参数方面都要比离散的放大器的好啊?

    【答】

    集成放大器是面向特殊应用的器件,有很强的争对性。比如仪放的高CMRR,低offset,低bias current是离散方案不太好达到的。但离散方案的特点是灵活,对于一些非常特殊少见的应用,离散的方案更能满足要求。

    【问】

    当需要较大放大倍数时往往采用多级放大,这是基于什么考虑?

    【答】

    放大器的增益带宽积是固定的,增益和带宽是矛盾的关系。若要保证一定的带宽,增益需分级处理。

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