1.电路任务:

110mV范围内的直流电压放大给AD采样,要求误差低于正负千分之一。


2.模拟电路设计:

待采样电压幅值。枰糯蠛笏透AD进行采样,放大电路的设计直接关系到测量误差。在拓扑上,可选择比例放大电路或者仪用运放电路,本例选择仪用放大电路如图1,第一级放大倍数为21倍,第二级为10倍;在放大器芯片选择上,需要低噪声、零漂移器件,在本例中,选择ADI推出的ADA4528,选择参数较佳的MSOP封装,在环境温度-40+125摄氏度范围内其各项主要参数如表1。

表1. ADA4528主要参数

参数

失调电压

Offset Voltage

失调电压漂移

Offset Voltage Drift

输入偏置电流

Input Bias Current

共模抑制比

CMR

电源抑制比

PSRR

数值

4uV.max

0.015uV/

600pA.max

116dB.min

127dB.min

计算运放各项理论误差值:

1)失调电压及漂移带来的误差:

失调电压的物理意义,是输入为零时,输出电压的非零值折合到输入端的电压值。为了达到误差要求,仪用放大器的总放大倍数不宜过大,以放大210倍为例,计算得出输入为零时,输出端最大为840uV,温漂3 uV/。

2)输入偏置电流带来的误差:

输入偏置电流的物理意义,是为了保证运放第一级的直流工作点,而需要在基极注入的电流,通常由输入电阻来提供。所以,输入电阻的阻值不宜过高,以免其上的压降太高造成运算误差。本例以1K的输入电阻为例,在输入电阻上将产生最大0.6uV的压降。折合为输入端0.6uV的失调电压。

3)共模抑制比带来的误差:

解释共模抑制比之前,需要先解释共模电压和差模电压,共模电压是运放同相和反相端电压的平均值,差模电压是同相和反相端电压之差。假设要在输出端达到1V的输出,共模电压需要为x伏,差模电压需要y伏,则计共模抑制比CMRRx/y,也可以视为(1/y)/(1/x),即差模放大倍数与共模放大倍数之比,通常用对数值CMR=20lgCMRR来计,单位dB。本例中,直流输入下,共模抑制比最低为116dB,CMR6.3e+5,本例中输入共模电压Vcm可以达到x=10mV/2=5mV,相当于造成的输入差模误差电压值,或者说是等效失调电压值设为y,根据CMRR=x/y,计算得y=(1/(6.3e+5))* 5mV=7.9nV,在经过210倍放大后,输出误差为1.6uV,与第(1)项带来的840uV误差相比,可以忽略。

4)电源抑制比带来的误差:

电源抑制比考核的是电源发生电压值变化ΔVsupply时,等效产生的失调电压ΔV,公式为PSRR=20lg(ΔVsupply/ΔV)。本例中,取Δvsupply=0.3V,则ΔV=0.13uV,经过210倍放大后输出误差为27.3uV。折合为输入端0.13uV的失调电压。

5)电阻不匹配带来的误差:

仪用放大器电阻选用万分之一精度,仪用运放的第一级,根据其放大倍数计算公式,A=(2Rf/Ri)+1,最极端情况下,三个电阻中反馈电阻正误差万分之一,输入电阻负误差万分之一,计算可得总误差万分之二。仪用运放的第二级,由于两个输入电阻误差,造成等效的失调电压,流过电流为第一级的输出电压除以输入电阻与反馈电阻的和,计采样电压为z,单位mV,第一级输出电压z*21mV,流过第二级放大电路输入电阻的电流为z*21mV/(5k+5k)=2.1*z uA,最极端情况下,两个输入电阻一个为正误差万分之一,另一个为负误差万分之一,两个电阻产生2*5k*0.01%=1.0 ohm的误差电阻,则等效于形成1.0 ohm*2.1*z uA=2.1*z uV的等效失调电压,经过第二级放大10倍后,在输出端形成21z uV的误差电压。折合为输入端0.1zuV的失调电压。

 

1474266307531271.jpg

图1.放大电路

综合上述的各项误差,计算系统总误差。因为以上所有误差都可以折算为运放输入端的失调电压,所以做误差叠加:(4+0.6+0.13+0.1z)uV,z为待测电压,单位mV,取量程上限z10,则误差等效的电压为5.83uV,系统总误差为千分之0.58。使用校准等措施,可以抵消失调电压、输入偏置电流、电阻不匹配等带来的误差,之后温漂将成为影响误差的主要因素。

 

 

 


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