零漂移放大器——非接觸式溫度測(cè)量的應(yīng)用

零漂移放大器可以動(dòng)態(tài)校正其失調(diào)電壓（VOS）并重塑其噪聲密度，主要用于精密測(cè)量以實(shí)現(xiàn)最佳性能。常用的零漂移放大器類型包括自穩(wěn)零架構(gòu)和斬波穩(wěn)定架構(gòu)，均可實(shí)現(xiàn)納伏級(jí)（＜1μV）失調(diào)電壓和極低的失調(diào)溫度漂移及失調(diào)時(shí)間漂移。通常來(lái)說(shuō)，斬波放大器更適合用于直流或低頻應(yīng)用，而自穩(wěn)零放大器則適用于更大帶寬的應(yīng)用。零漂移放大器為設(shè)計(jì)人員提供了許多好處，幫助他們消除了溫度漂移和1/f（頻率相關(guān)）噪聲，而這些噪聲一直困擾著用戶系統(tǒng)。然而，零漂移放大器是采用數(shù)字電路動(dòng)態(tài)校正模擬失調(diào)誤差的復(fù)合放大器，其精密性能需要付出一定的代價(jià)，這也是不存在理想放大器的原因之一。當(dāng)使用零漂移放大器時(shí)，必須考慮的應(yīng)用問(wèn)題包括電荷注入、時(shí)鐘饋通、互調(diào)失真和過(guò)載恢復(fù)時(shí)間。

Linearin零漂移放大器LTC855x、LTC833x系列采用專利技術(shù)和優(yōu)化的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有極低的失調(diào)電壓、溫漂系數(shù)和電壓噪聲，并具備極高的開(kāi)環(huán)增益、共模抑制比（CMRR）和電源抑制比（PSRR），實(shí)現(xiàn)了傳感器小信號(hào)調(diào)理所需的高精度水平。此外，Linearin專利的連續(xù)共模反饋控制使得這些器件具有更快的階躍響應(yīng)性能，有效降低了信號(hào)輸出的差錯(cuò)；內(nèi)部專有技術(shù)的高性能時(shí)序電路，用以實(shí)現(xiàn)這些器件的持久穩(wěn)定運(yùn)行。LTC855x、LTC833x系列零漂移放大器可適用于預(yù)期設(shè)計(jì)壽命超過(guò)十年的用戶系統(tǒng)，特別是用于處理低頻、低幅度小信號(hào)時(shí)使用高閉環(huán)增益（例如，＞100dB）的信號(hào)鏈設(shè)計(jì)。典型應(yīng)用案例包括：精密電流檢測(cè)、醫(yī)療儀器、電子秤、精密計(jì)量設(shè)備以及熱電堆傳感器接口等。

用于非接觸式溫度測(cè)量的熱電堆傳感器是由串聯(lián)（或偶爾并聯(lián)）的大量熱電偶組成。串聯(lián)熱電偶的輸出電壓取決于熱電偶結(jié)與基準(zhǔn)結(jié)之間的溫度差，該原理稱為塞貝克效應(yīng)。熱電堆傳感器一般具有較高的阻抗，典型值60kΩ～115kΩ，輸出電壓相對(duì)較小，從幾百微伏（μV）到幾毫伏（mV）。醫(yī)用級(jí)耳溫計(jì)、 額溫槍等設(shè)備的最大測(cè)量誤差一般要求為±0.2℃，運(yùn)行環(huán)境溫度范圍16℃～35℃，測(cè)量溫度顯示范圍35℃～42℃。對(duì)于大多數(shù)熱電堆傳感器來(lái)說(shuō)，±12℃對(duì)應(yīng)的輸出電壓信號(hào)變化一般在14μV～20μV之間，因此，熱電堆傳感器的接口放大電路需要高增益和極低的失調(diào)與漂移，以避免直流誤差。

LTC855x系列零漂移放大器具有8μV“最大”失調(diào)電壓和40nV/℃“最大”溫漂特性，這對(duì)于16℃至35℃的“最大”應(yīng)用環(huán)境溫度變化僅會(huì)產(chǎn)生≤0.76μV的漂移量。由于每個(gè)設(shè)備上所使用放大器的失調(diào)電壓可以在設(shè)備出廠前被校準(zhǔn)，因此，放大器的溫漂特性對(duì)用戶設(shè)備的測(cè)量精度影響更為重要。LTC855x系列零漂移放大器在16℃至35℃“最大”變化所可能產(chǎn)生“最大”0.76μV偏移量，遠(yuǎn)低于醫(yī)用級(jí)±0.2℃精度要求所對(duì)應(yīng)的熱電堆傳感器的輸出典型值（14μV～20μV），這對(duì)于提高用戶設(shè)備的測(cè)量精度尤為重要。

如下圖所示，本電路是一個(gè)完整基于熱電堆傳感器的接口電路，其采用了LTC8552零漂移放大器。LTC8552在1kHz下的電壓噪聲頻譜密度僅為19nV/√Hz ，遠(yuǎn)低于35～40nV/√Hz的熱電堆電壓噪聲密度。本電路適用于耳溫計(jì)、額溫槍等醫(yī)用級(jí)體溫測(cè)量設(shè)備以及工業(yè)測(cè)溫儀等應(yīng)用。

本電路設(shè)計(jì)步驟

確定增益電阻R1、R2的阻值。為了使用較低值的增益設(shè)置電阻以降低反饋至輸出端的電流噪聲，R1阻值一般不易過(guò)大，建議的R1阻值在220?至2k?，本電路選擇R1=1k?。然后，根據(jù)放大倍數(shù)要求選定R2阻值。

該放大電路傳遞函數(shù)為：VO=VREF VTP×(1R2/R1)

在反饋電阻R2上并聯(lián)電容C2，以限制信號(hào)帶寬來(lái)降低反饋至輸出端的饋通及噪聲。由于測(cè)溫電路接近于DC應(yīng)用，該電路的帶寬可由R2和C2來(lái)限定：fP=1/(2Π×R2×C2)

為了使兩輸入端上的源阻抗及CIN匹配，以使得饋通最小化，IN+輸入端增加R3和對(duì)地連接的C3，并且，應(yīng)使得R3=R1阻值，C3=C2容值。

為使得放大級(jí)之后建立RC濾波以獲得更穩(wěn)定的輸出信號(hào)，在輸出端連接R4及對(duì)地連接的C4。

為更好的利用放大器的線性輸出工作范圍以及利用ADC的滿量程來(lái)獲得更高分辨率的信號(hào)，通常在IN-端提供一個(gè)VREF偏置電壓。VREF可以采用LDO或基準(zhǔn)電壓芯片來(lái)產(chǎn)生，可以通過(guò)電阻分壓的方式產(chǎn)生。

通過(guò)電阻分壓的方式來(lái)獲得VREF雖然成本較低，但是，如果將分壓產(chǎn)生的VREF直接施加在輸入端的電阻上時(shí)，流經(jīng)R1的電流將會(huì)分流到分壓電阻上而引起VREF發(fā)生變化。VREF誤差將對(duì)輸出產(chǎn)生影響，由此會(huì)影響到系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確性（即引起額外的溫度測(cè)量偏差）。

本電路采用LTC8552的一路放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)VREF以提高系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確性。