單電源緩沖器電路的實際設(shè)計

本系列的第5部分將著重討論實際應(yīng)用，我們到目前為止所學(xué)會的技巧和相關(guān)經(jīng)驗都將得到應(yīng)用，幫助我們方便地穩(wěn)定一個復(fù)雜的電路。我們將設(shè)計一個通用單電源緩沖放大器（將2.1V緩沖至4.1V參考），5V單電源供電使它能夠線性地工作，可供應(yīng)較大的輸出電流（》13mA），并在-40°C至+125°C工作溫度范圍的飄移為0.4V。雖然可將該電路用于許多應(yīng)用中，但我們?nèi)詫⒑喴榻B一下促使給出這個設(shè)計的原因，并解釋為何沒有現(xiàn)成的電路可用來完成此項工作。我們這里采用綜合技術(shù)來開發(fā)器件網(wǎng)絡(luò)，以供應(yīng)一個證明對許多運放應(yīng)用都有益的穩(wěn)定電路。

技術(shù)背景：

在實際應(yīng)用中，惠斯通電橋的一個常見應(yīng)用就是壓力測量。如圖5.1所示，隨著所加壓力變化，很多這種壓力傳感器都具有明顯的二階非線性特性。

圖5.1典型實際傳感器輸出比所加壓力

圖字（上、下）：室溫下電橋輸出與壓力關(guān)系、理想傳感器、實際傳感器；

坐標(biāo)軸字：X軸：壓力、Y軸：Vexc=1V時的電橋輸出（V/V或Vbridge）

除了隨所加壓力變化而出現(xiàn)的非線性外，許多壓力傳感器隨溫度變化在偏移量和范圍上也有非線性特性。用來校

正這些誤差的一種現(xiàn)代解決方法是在壓力傳感器中內(nèi)置電子電路，然后將電子電路與壓力傳感器作為一個模塊，

隨著溫度的變化進(jìn)行數(shù)字校準(zhǔn)。一種適用于此類用途的IC是由德州儀器公司供應(yīng)的Burr-Brown產(chǎn)品pGA309（如

圖5.2所示）。此輸出電壓已經(jīng)過數(shù)字校準(zhǔn)的傳感器，其信號調(diào)整IC包含有一個模擬傳感器線性化電路，該電路

將輸出電壓的一部分反饋至傳感器的電壓激勵引腳，從而以20:1的改良比例對二階非線性進(jìn)行線性化。因此，

VEXC引腳將隨傳感器所加壓力的變化而對其電壓進(jìn)行調(diào)整。此電路的一個局限就是其傳感器激勵引腳VEXC，在工

作溫度范圍內(nèi)限制在5mA最大輸出電流上。這里我們遇到了一個兩難的境地，即如何用一個阻抗來激勵要求電流

超過5mA的傳感器。

圖5.2：現(xiàn)代數(shù)字校準(zhǔn)傳感器信號調(diào)整器

圖字（左右、上下）：非線性電傳式感器、線性化電路、參考、模擬傳感器線性化電路、線性化DAC、故障監(jiān)視器、自動零點pGIA、過/欠刻度限幅器、模擬信號調(diào)整電路、外部溫度、數(shù)字溫度補(bǔ)償、內(nèi)部溫度、溫度ADC、控制寄存器接口電路、線性Vout、數(shù)字計算。

設(shè)計要求：

圖5.3詳細(xì)給出了重要的設(shè)計指標(biāo)。我們希望用一個容差為10%的5V電源來供電。我們要一個統(tǒng)一增益緩沖器，因為我們不希望在pGA309線性化環(huán)路中引入任何誤差。由于pGA309在VEXC引腳上有很寬的可編程范圍，因此我們要容納從2.1V至4.1V的電壓范圍。我們最小的傳感器阻值為300Ω。因此，關(guān)于最大4.1V的輸出電壓，我們至少要供應(yīng)13.6mA的電流。pGA309線性化電路具有大約35kHz的帶寬。由于環(huán)路閉合的方式，我們的緩沖器帶寬至少要等于或大于線性化環(huán)路的帶寬。我們將目標(biāo)定為100kHz的小信號閉環(huán)帶寬。關(guān)于我們感興趣的傳感器應(yīng)用來說，大信號響應(yīng)若有1V/s的擺動速率就足夠了。該設(shè)計在從-40°C至+125°C的溫度范圍內(nèi)應(yīng)該是穩(wěn)定工作的。因為我們不希望由于緩沖器的原因而在最后應(yīng)用電路中引入任何額外的誤差，因此我們要一個在運放共模輸入范圍內(nèi)不會有任何交叉失真的電路。我們將簡要討論一下這個問題，因為它幾乎對所有CMOS單電源軌至軌輸入（RRI）運放來說都是一個問題。

圖5.3單電源、大電流緩沖器指標(biāo)