LTC1051/LTC1053：高性能低成本零漂移运算放大器的卓越之选

在电子设计领域，运算放大器是至关重要的基础元件。今天，我们就来深入探讨一下凌力尔特公司（Linear Technology）推出的LTC1051/LTC1053双/四通道精密零漂移运算放大器。

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1. 器件概述

LTC1051/LTC1053是高性能、低成本的双/四通道零漂移运算放大器。其独特之处在于将通常需要外部配置的采样保持电容集成到了芯片内部。与其他带有或不带有内部采样/保持电容的斩波稳定放大器相比，LTC1051/LTC1053在直流和交流性能的综合表现上更为出色。

2. 特性亮点

2.1 电气特性

• 低失调电压与低漂移：最大失调电压仅为5µV，最大失调电压漂移为0.05µV/°C，典型失调电压0.5µV，漂移0.01µV/°C ，能够有效降低误差，提高系统的精度。
• 低噪声：在0.1Hz至10Hz频段，噪声仅为1.5µVP - P，为对噪声敏感的应用提供了良好的信号质量。
• 高增益与高共模抑制比：最小电压增益达120dB，最小电源抑制比（PSRR）为120dB，最小共模抑制比（CMRR）为114dB，保证了信号的放大和抗干扰能力。
• 低功耗：每个运放的供电电流仅1mA，适用于对功耗要求较高的应用场景。
• 宽电源范围：支持单电源4.75V至16V的供电，输入共模范围包含地，输出可摆至地，增强了电路设计的灵活性。
• 快速过载恢复：典型过载恢复时间为3ms，能快速从过载状态恢复正常工作。

2.2 封装形式

LTC1051有8引脚标准塑料双列直插封装（PDIP）以及16引脚SW封装；LTC1053有标准14引脚塑料封装和18引脚SO封装。并且，它们与大多数标准双/四通道运放引脚兼容，方便进行替换升级。

3. 典型应用

3.1 高性能低成本仪表放大器

通过合理配置电阻R1 = 499Ω（0.1%）和R2 = 100k（0.1%），可以实现增益为201的仪表放大器。实测CMRR约120dB，输入失调电压3µV，输入噪声2µVP - P（DC - 10Hz）。

3.2 其他应用场景

• 热电偶放大器：可用于精确放大热电偶产生的微弱信号。
• 电子秤：保证称重数据的准确性。
• 医疗仪器：满足医疗设备对高精度信号处理的要求。
• 应变计放大器：对微小应变信号进行有效放大。
• 高分辨率数据采集：为数据采集系统提供高精度的信号放大。
• 直流精确RC有源滤波器：实现对特定频率信号的滤波处理。

4. 应用注意事项

4.1 实现皮安/微伏级性能

• 热电动势误差：在电路板布局和元件选择时，要尽量减少放大器输入信号路径中的结点数量，避免使用连接器、插座、开关和继电器等。若无法避免，应平衡结点的数量和类型，以实现差分抵消。
• 泄漏电流：为实现皮安级精度，要使用高质量的绝缘材料（如聚四氟乙烯、Kel - F），清洁绝缘表面以去除助焊剂和其他残留物，在高湿度环境中可能需要进行表面涂层处理。
• 电阻热电动势：不同类型的电阻产生的热电动势不同，如氧化锡电阻约为mV/°C，碳合成电阻约为450µV/°C，金属膜电阻约为20µV/°C，线绕电阻（Evenohm、锰铜）约为2µV/°C 。应尽量选择热电动势小的电阻，并注意电阻两端的温度梯度。
• 输入偏置电流与时钟馈通：在环境温度低于60°C时，输入偏置电流主要由运放输入失调电压采样和保持期间的少量电荷注入决定，平均电流脉冲值为10pA至15pA。当温度升高到85°C以上时，输入保护器件的泄漏电流占主导。时钟馈通会导致输出出现小尖峰，可通过降低增益设置电阻值或在反馈电阻两端添加电容来衰减。
• 输入电容：LTC1051/LTC1053的输入电容约为12pF。当反馈系数接近1时，在工业温度范围反馈电阻值不应超过7k，在军事温度范围不应超过5k。若需要更高的反馈电阻值，应在反馈电阻两端并联20pF的电容。

4.2 作为交流放大器的应用

LTC1051/LTC1053不仅具有出色的直流特性，还具备高效的交流性能。在单5V电源下，每个运放典型功耗为0.5mA，增益带宽积可达1.8MHz，压摆率为3V/µs。但在交流应用中需要注意“混叠”现象：

• 混叠信号定义：混叠信号的频率一般为 (nf{CLK} pm mf{IN})，其中 (nf{CLK}) 是斩波稳定运放的内部采样频率及其谐波，(mf{IN}) 是输入信号的频率及其谐波。
• 混叠发生条件：当输出混叠信号幅度达到输出信号的0.01%或更高时，可认为发生了混叠。近似最小混叠输入信号频率等于内部时钟频率乘以运放反馈系数的平方根。
• 混叠信号特点：输入信号频率增加时，混叠信号数量增多；当输入信号频率小于时钟频率时，混叠信号幅度与输入信号幅度成正比；当输入信号频率远超过时钟频率时，混叠信号幅度不直接与输入幅度成正比，且输出摆幅接近电源轨时，“信号与混叠比”会增加。对于单位增益反相配置，所有混叠频率比输出信号低80dB至84dB；增益高于 - 1时，“信号与混叠比”约以每十倍闭环增益 - 6dB的速率下降；闭环增益为 - 10或更高时，反馈增益设置电阻值超过50k会导致“信号与混叠比”下降；作为同相放大器时，闭环增益为10（V/V）及以下时，“信号与混叠比”比反相情况低1dB至3dB，闭环增益为100（V/V）时，可能下降多达9dB。

5. 典型应用电路示例

5.1 获得超低失调电压漂移和低噪声

通过双斩波运放缓冲A1的输入，并校正其失调电压和失调电压漂移。使用不同的运放（如LT1007、LT1012）搭配不同的电阻和电容值，可以实现不同的噪声性能。实测典型输入失调电压小于2µV。

5.2 并联斩波运放改善噪声

将多个LTC1053运放并联，可以降低输入直流 - 10Hz噪声，输入噪声约为每个并联运放噪声的1/√3。

5.3 差分电压到电流转换器

实现差分电压到电流的转换，输出电流 (I_{OUT} = 2(V2 - V1)/RG)，带宽为100Hz，最大输出电流为1mA。

5.4 多路复用差分温度计

可用于测量差分温度，输出精度在25°C至150°C范围内为±0.1%，输出为10mV/°C。

5.5 六十年对数放大器

实现对数运算，输出 (V{OUT} = LOG V{IN} - 2V) 。

5.6 双仪表放大器

具有高共模抑制比（CMRR > 100dB），输入失调电压约3µV，输入参考噪声约2µVP - P。

5.7 线性化铂信号调理器

可将铂电阻传感器的信号进行线性化处理，实现0°C至400°C对应0V至4V的输出，精度可达±0.05°C。

5.8 直流精确三阶100Hz巴特沃斯抗混叠滤波器

宽带噪声9µVRMS，总谐波失真加噪声（THD + NOISE）约为0.0012%（1VRMS < VIN < 2VRMS，VS = ±8V），输出失调电压 (V_{OS}( OUT )<5 mu V) 。

5.9 直流精确18位四阶抗混叠贝塞尔（线性相位）100Hz低通滤波器

宽带RMS噪声4.5µVRMS，THD + NOISE约为0.0005%（2VRMS ≤VIN ≤3VRMS），输出失调电压 (V_{OS}( OUT )<10 mu V) 。

6. 相关部件

凌力尔特公司还提供了一系列相关的零漂移运放产品，如LTC1047、LTC1049、LTC1050、LTC2050/LTC2051/LTC2052、LTC2053等，可根据不同的应用需求进行选择。

总之，LTC1051/LTC1053以其出色的性能和丰富的应用场景，为电子工程师在设计高精度、低噪声、低功耗的电路时提供了一个优秀的选择。在实际应用中，我们需要根据具体的需求，合理利用其特性，并注意相关的应用注意事项，以充分发挥其优势。大家在使用过程中有没有遇到过什么有趣的问题或者独特的应用呢？欢迎在评论区分享交流。