选择合适的精密运算放大器来简化模拟前端设计

经验丰富的电路设计师都知道，花时间为模拟前端 (AFE) 或模拟信号通道精心选择特定的运算放大器是值得的。这个小型元器件通常只有 8 个引脚，看起来不起眼，但实际上却非常重要：放大、缓冲和过滤微小且通常脆弱的传感器输出信号。

使用合适的运算放大器将确保信号通道性能满足目标，并简化随后对数字化信号进行的信号处理和分析算法。通过提供正确的增益、输入范围、噪声、稳定性和其他属性的规格组合，此单一元器件可以最大限度地减少因追查难以捉摸的错误和数据不一致而产生的令人沮丧的调试工作。

正如已故模拟元器件和电路专家 Bob Pease 常说的那样，“一个好的运算放大器胜过一千个门电路”。其言外之意是：选择正确的运算放大器可以让你在数字和软件方面少走很多弯路。

为 AFE 选择“最佳”运算放大器通常并不容易，因为任何运算放大器的众多规格都是经过设计的权衡取舍而找到平衡的结果。这些属性必须与设计人员对项目性能优先级的相对权重考量相匹配。幸运的是，新款运算放大器减少了这些权衡。

举例来说，Analog Devices ADA4510-2 就是这样一款双通道、40 V、高精度运算放大器。该器件采用八引线窄体 SOIC 封装，具有低输入偏置电流、低失调电压、低失调电压漂移、低噪声以及轨至轨输入和输出等特性。它几乎可以用于信号链的任何点，包括感测、调节和输出驱动（图 1）。

图 1：ADA4510-2 可在 AFE 的许多关键点以及整个模拟信号链上提供精密功能。（图片来源：Analog Devices）

该器件消除了设计人员在为信号链选择放大器时遇到的许多“痛点”。虽然应用优先级各不相同，但这款运算放大器可为许多应用提供出色的性能，具体应用包括电子测试与计量、数据采集系统、自动测试设备、医疗仪器、多路复用输入信号链、精密电流测量和光电二极管放大器。

其性能的提升很大程度上要归功于专有的 DigiTrim 技术。除了已经微调的裸片特性外，DigiTrim 还可以修正由于装配和封装效应引起的机械应力所导致的任何失调电压和漂移。

利用这项获得专利的技术，ADA4510-2 可实现出色的低失调漂移（典型值 ±70 nV/°C，最大值 ±500 nV/°C）和低失调电压（典型值 ±5 μV，最大值 ±20 μV），从而简化了精密设计中与温度相关的校准。此外，规格书还提供了所有关键参数的典型值及最小或最大规格（视情况而定）。

布局和防护

对于许多模拟元器件，尤其是像 ADA4510-2 这样的精密元器件，仔细考虑布局细节和细微差别对于发挥其性能潜力至关重要。由于 ADA4510-2 具有极高的阻抗输入，印刷电路板（PC 板）布局中的泄漏电阻和寄生电容引起的任何分路阻抗都会严重降低其低偏置输入的性能。ADA4510-2 的规格书提供了更多详细信息。

规格书强调，可能需要进行“保护”，通过减小输入节点的电压梯度来防止寄生漏电流。保护是一种成熟的技术，即使用低阻抗导体将高阻抗节点包围起来，并驱使至节点电压。其作用是通过将漏电流从敏感节点转移至低阻抗保护装置来缓冲漏电流（图 2）。

图 2：保护是一种用于最大限度减少高阻抗输入处电流泄漏有害影响的技术。上图用原理图展示了保护的概念；下图显示了电路板上的保护布局实现。（图片来源：Analog Devices）

用评估板进行实操评估

比起花时间制作自己的测试布局以评估 ADA4510-2 在应用中的适用性，使用供应商提供的优化评估板可以节省时间并提高性能。为此，Analog Devices 推出了 EVAL-ADA4510-2ARZ（图 3）。这个评估板设计紧凑，使用了采用标准 0603（0.06 × 0.03 英寸）外壳尺寸的表面贴装技术 (SMT) 元器件（旁路电容和端接电阻除外）。

图 3：EVAL-ADA4510-2ARZ 评估板是一款小巧、方便、经过优化的工具，用于在目标应用中演练 ADA4510-2 的功能并评估其特性。（图片来源：Analog Devices）

该评估板提供多种空白电阻器和电容器脚位，能够让用户在实现不同的应用特定型电路时，灵活选择合适的型号。此外，其还配备光电二极管传感器，以便轻松配置跨阻放大器 (TIA)。布局内置保护技术，以确保达到 TIA 应用所需的低泄漏和寄生电容。

该板采用边缘安装的 SMA 连接器，以方便与测试设备和其他电路连接。UG-2133 用户指南共七页，为想要将其用作设计指南的设计人员提供了设置信息、原理图、上下两面的 PC 板布局模式，以及零件物料清单 (BOM)。

结语

在设计高性能 AFE 时，选择正确的运算放大器至关重要。使用精密运算放大器（例如采用专有微调技术的 ADA4510-2）可以最大限度地减少可能降低性能的信号链漂移和噪声。

相关内容（全部来自 Analog Devices）

• ADA4510-2 规格书

https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ada4510-2.pdf

• UG-2133 EVAL-ADA4510-2ARZ 用户指南

https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/user-guides/eval-ada4510-2-ug-2133.pdf

• 工程师专区，“保护技术”

https://ez.analog.com/amplifiers/w/documents/25819/guarding-techniques

• 应用说明 AN-347，“屏蔽和保护”

https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/41727248AN_347.pdf

• 技术说明，“精密运算放大器的布局”

https://www.analog.com/en/resources/technical-articles/layout-for-precision-op-amps.html