單電源緩沖器電路的實際設計

　本系列的第5部分將著重討論“實際”應用，我們到目前為止所學會的技巧和經驗都將得到應用，幫助我們方便地穩定一個復雜的電路。我們將設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，可提供較大的輸出電流（》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用中，但我們仍將簡要介紹一下促使給出這個設計的原因，并解釋為何沒有現成的電路可用來完成此項工作。我們這里采用綜合技術來開發器件網絡，以提供一個證明對許多運放應用都有益的穩定電路。

　　技術背景：

　　在實際應用中，惠斯通電橋的一個常見應用就是壓力測量。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系、理想傳感器、實際傳感器；

　　坐標軸字： 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產生的非線性外，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代解決方法是在壓力傳感器中內置電子電路，然后將電子電路與壓力傳感器作為一個模塊，

　　隨著溫度的變化進行數字校準。一種適用于此類用途的IC是由德州儀器公司提供的Burr-Brown產品PGA309（如

　　圖5.2 所示）。此輸出電壓已經過數字校準的傳感器，其信號調整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行調整。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：現代數字校準傳感器信號調整器

　　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、故障監視器、自動零點PGIA、過/欠刻度限幅器、模擬信號調整電路、外部溫度、數字溫度補償、內部溫度、溫度ADC、控制寄存器接口電路、線性Vout、數字計算。

　　設計要求：

　　圖5.3 詳細給出了主要的設計指標。我們希望用一個容差為10%的5V電源來供電。我們需要一個統一增益緩沖器，因為我們不希望在PGA309 線性化環路中引入任何誤差。由于PGA309 在VEXC引腳上有很寬的可編程范圍，因此我們需要容納從2.1V至4.1V的電壓范圍。我們最小的傳感器阻值為300Ω。因此，對于最大4.1V的輸出電壓，我們至少需要提供13.6mA的電流。PGA309 線性化電路具有大約35 kHz的帶寬。由于環路閉合的方式，我們的緩沖器帶寬至少要等于或大于線性化環路的帶寬。我們將目標定為100kHz的小信號閉環帶寬。對于我們感興趣的傳感器應用來說，大信號響應若有1V/μs的擺動速率就足夠了。該設計在從 -40°C 至 +125°C的溫度范圍內應該是穩定工作的。因為我們不希望由于緩沖器的原因而在最后應用電路中引入任何額外的誤差，因此我們需要一個在運放共模輸入范圍內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