AD8574：零漂移单电源轨到轨运放的卓越之选

AD8571/AD8572/AD8574：零漂移单电源轨到轨运放的卓越之选

在电子工程师的设计生涯中，选择合适的运算放大器（op amp）至关重要。今天要给大家介绍的是Analog Devices公司的AD8571/AD8572/AD8574系列零漂移单电源轨到轨输入/输出运算放大器，它在诸多方面表现出色，能满足多种应用需求。

文件下载：AD8574.pdf

特性亮点

高精度参数

• 超低失调电压：仅1 μV的失调电压，这在需要高精度的应用中是非常关键的。比如在温度传感器、压力传感器等应用里，微小的失调电压能有效减少测量误差，提高测量的准确性。
• 低输入失调漂移：输入失调漂移为0.005 μV/°C，这意味着在较宽的温度范围内，放大器的性能依然稳定，不会因为温度变化而产生较大的失调误差。像在汽车电子等对温度范围要求较宽的应用场景中，能保证系统的可靠性。
• 高增益：典型增益可达145 dB，如此高的增益使得放大器能够对微弱信号进行有效的放大，适用于各种需要信号放大的场合。
• 高共模抑制比（CMRR）和电源抑制比（PSRR）：CMRR典型值为140 dB，PSRR典型值为130 dB。这两个参数表明放大器对共模信号和电源波动具有很强的抑制能力，能有效减少外界干扰对输出信号的影响。

其他特性

• 轨到轨输入输出：允许输入和输出信号在接近电源轨的范围内摆动，这使得放大器能够充分利用电源电压，提高动态范围，适用于各种单电源供电的应用。
• 单电源供电：可在2.7 V至5 V的单电源下工作，降低了电源设计的复杂度，同时也适用于电池供电等低功耗应用场景。
• 超低输入偏置电流：典型值为10 pA，这意味着放大器对输入信号的负载影响极小，能更好地处理微弱信号。
• 低电源电流：每个运放的电源电流仅为750 μA，有助于降低系统功耗，延长电池续航时间。
• 过载恢复时间短：过载恢复时间仅为50 μs，能够快速从过载状态恢复正常工作，提高系统的响应速度。
• 无需外部电容：简化了电路设计，减少了电路板的面积和成本。

应用领域广泛

传感器应用

• 温度传感器：超低的失调电压和漂移特性，使得放大器能够准确地放大温度传感器输出的微弱信号，提高温度测量的精度。
• 压力传感器：在压力测量中，需要高精度的放大器来处理传感器输出的信号。AD8571/AD8572/AD8574的高增益和低失调特性能够满足这一需求，确保压力测量的准确性。
• 应变计放大器：应变计输出的信号通常非常微弱，需要高增益、低失调的放大器进行放大。该系列放大器的出色性能使其成为应变计放大器的理想选择。

医疗仪器

在医疗仪器中，对信号的精度和稳定性要求极高。AD8571/AD8572/AD8574的高精度和低噪声特性，能够满足医疗仪器对信号处理的严格要求，例如心电图机、血压计等设备。

热电偶放大器

热电偶输出的信号也很微弱，且容易受到环境因素的影响。该系列放大器的高增益、低失调和良好的抗干扰能力，能够有效地放大热电偶输出的信号，提高测量的准确性。

放大器架构解析

每个AD8571/AD8572/AD8574运放由主放大器和辅助放大器组成。主放大器用于放大输入信号，辅助放大器则用于校正主放大器的失调电压。输入级采用NMOS和PMOS差分对并行工作的方式，使得输入共模电压范围能够达到电源轨。输出级采用共源配置的两个输出晶体管，实现了宽电压摆动。不过，输出电压范围会受到晶体管漏源电阻的限制，在重负载电流情况下，输出电压可能无法像轻负载时那样接近电源轨。

基本自动调零放大器理论

自动校正放大器并非新技术，但AD8571/AD8572/AD8574在设计上有显著的性能提升和成本降低。该系列放大器通过随机频率自动调零稳定技术来实现高精度。其工作分为自动调零阶段和放大阶段：

自动调零阶段

所有ΦA开关闭合，ΦB开关打开。辅助放大器的两个输入短路，其失调电压出现在输出端，并存储在内部电容CM1上。

放大阶段

ΦB开关闭合，ΦA开关打开。CM1上的电压用于校正辅助放大器的误差，从而有效降低了放大器的失调电压。通过这种自动校正方案，主放大器和辅助放大器的失调电压都被增益因子BA大幅降低，使得放大器的有效输入失调电压达到亚微伏级别，实现了极高的精度。

性能优化与注意事项

布局优化

为了充分发挥AD8571/AD8572/AD8574的高性能，在电路板布局时需要注意以下几点：

• 保持PCB表面清洁干燥：避免相邻走线之间产生泄漏电流，可采用表面涂层的方式减少表面水分和寄生电阻。
• 使用保护环：在放大器输入周围设置保护环，可有效减少泄漏电流。保护环的电压应与同相输入端的电压相等，以最小化寄生电容。
• 减少热电电压误差：热电电压是由不同金属连接处的温度差产生的。可通过使用假元件来匹配热电误差源，保持电路板环境温度恒定，以及使用接地平面来减少热电电压误差和电磁干扰。

噪声考虑

放大器的总宽带噪声输出主要由放大器的输入电压噪声、输入电流噪声和外部电阻的约翰逊噪声组成。这些噪声源相互独立，其总噪声以均方根和的方式相加。在设计时，需要根据具体应用合理选择外部电阻，以降低噪声影响。当源电阻小于172 kΩ时，输入电压噪声起主导作用；当源电阻大于172 kΩ时，电阻的约翰逊噪声成为主要噪声源。

其他性能考虑

• 输出过载恢复：该系列放大器的过载恢复时间仅为200 μs，相比其他自动校正放大器具有明显优势。在设计时，可通过特定的测试方法来测量过载恢复时间，确保系统在过载情况下能够快速恢复正常工作。
• 输入过压保护：虽然是轨到轨输入放大器，但要注意输入之间的电位差不超过5 V。当输入超过电源轨0.3 V时，ESD保护二极管可能会导通，过大的电流可能会损坏器件。因此，在输入可能出现过压的情况下，应适当插入限流电阻。
• 输出相位反转：在设计时要确保两个输入都在电源电压范围内，以防止输出相位反转。如果输入超过电源电压，可在输入串联电阻来限制电流，保证输出相位正常。
• 容性负载驱动：AD8571/AD8572/AD8574具有良好的容性负载驱动能力，可从5 V单电源安全驱动高达10 nF的负载。但容性负载会限制放大器的带宽，并增加输出的过冲和振铃。可使用RC缓冲网络来减少这些影响，缓冲网络的电阻和电容值需要根据负载电容进行经验性调整。
• 上电行为：上电时，放大器能在5 μs内稳定到有效输出，相比其他自动校正放大器速度更快。

应用电路示例

5 V精密应变计电路

AD8572的超低失调电压使其非常适合用于需要高精度和高增益的应变计应用。通过REF192提供2.5 V的精密参考电压，经A2放大器提升为4.0 V作为应变计电阻桥的参考电压。A1用于放大桥路的输出，输出电压可根据桥路电阻和负载电阻的变化线性变化，实现对应变的精确测量。

3 V仪表放大器

AD8571/AD8572/AD8574的高共模抑制比、高开环增益和低至3 V的工作电压，使其成为单电源仪表放大器的理想选择。在设计时，要注意外部电阻的公差会影响系统的共模抑制比，可通过使用高精度电阻或额外的微调电阻来提高系统的性能。

高精度热电偶放大器

以K型热电偶放大器为例，AD8571在5 V电源下能够提供足够的精度，实现0°C至500°C范围内优于0.02°C的分辨率。通过D1作为温度测量装置进行冷端补偿，调整R6可使输出在热电偶测量端处于0°C冰浴时为0 V。通过调整R9的值，还可以扩展温度测量范围。

精密电流计

由于其低输入偏置电流和单电源下的出色失调电压特性，AD8571/AD8572/AD8574可作为高精度电流监测放大器。其轨到轨输入允许作为高端或低端电流监测器使用，通过测量电阻上的电压降来实现对电流的精确监测。

精密电压比较器

AD8571/AD8572/AD8574可开环运行作为精密比较器，失调电压小于50 μV。在使用时要注意确保不超过器件的最大差分电压，以避免损坏器件。

封装与订购信息

AD8571单运放有8引脚MSOP和窄体SOIC封装；AD8572双运放有8引脚窄体SOIC和表面贴装TSSOP封装；AD8574四运放有14引脚窄体SOIC和TSSOP封装。在订购时，可根据具体的应用需求和电路板布局选择合适的封装和型号。

综上所述，AD8571/AD8572/AD8574系列运算放大器凭借其高精度、低功耗、宽温度范围等优点，在各种敏感测量和汽车应用中具有很大的优势。电子工程师在设计相关电路时，可以充分考虑该系列放大器的特性，以实现高性能、低成本的设计目标。大家在实际应用中是否也遇到过类似的放大器选择问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。