挑選合適的精密運算放大器以簡化類比前端設計作業

經驗豐富的電路設計人員都曉得，將時間花費在謹慎挑選適合類比前端 (AFE) 或類比訊號通道的運算放大器上，非常值得。這種迷你元件通常只有八條引線，聽起來並不起眼卻身負重任，也就是需要將較為脆弱的微小感測器輸出訊號放大、緩衝及濾波。

使用合適的運算放大器可確保訊號通道效能符合目標，並可簡化隨後要對數位化訊號執行的訊號處理和分析演算法。只要單一元件就可提供正確的規格組合，包括增益、輸入範圍、雜訊、穩定性和其他屬性，因此在追查難以捉摸的錯誤及資料不一致情況時，能盡可能將這期間要付出的除錯心力與挫折感降至最低。

正如近代類比元件與電路專家 Bob Pease 經常說道：「一個優良運算放大器可抵過一千個閘極」。這句話兼具字面與象徵性的意義：只要選對運算放大器，就能為您省去數位化和軟體層面的諸多麻煩。

挑選適合 AFE 的「最佳」運算放大器通常並不容易，因為要在不同的設計取捨和妥協中找到平衡，才能確定任何運算放大器的眾多規格。這些屬性必須符合設計人員對專案效能優先考量的相對權重。所幸，新型運算放大器可減少這些取捨。

Analog Devices 的 ADA4510-2 雙通道 40 V 高精度運算放大器就是例子之一。此產品採用八引線式窄體 SOIC 封裝，具有低輸入偏壓電流、低偏移電壓、低偏移電壓漂移、低雜訊及軌對軌輸入和輸出等特點。幾乎能用於訊號鏈的任意點，包括感測、調節和輸出驅動 (圖 1)。

圖 1：ADA4510-2 能在 AFE 的許多關鍵點提供精密功能，並可在整條類比訊號鏈上發揮功效。(圖片來源：Analog Devices)

此裝置可在設計人員挑選訊號鏈的放大器時，排除過程中遭遇的諸多「痛點」。雖然應用優先考量各有不同，但這款運算放大器能針對許多應用提供卓越效能，包括電子元件測試和量測、數據採集系統、自動化測試設備、醫療儀器、多工輸入訊號鏈、精密電流量測，以及光電二極體放大器。

此產品效能的增強，主要歸功於自行研發的 DigiTrim 技術。除了已經微調的裸晶粒特性，DigiTrim 還可針對裝配和封裝效應產生的機械應力，修正其引起的任何偏移電壓和漂移。

透過這項專利技術，ADA4510-2 可達到優異的低偏移漂移 (典型值 ±70 nV/°C，最大值 ±500 nV/°C) 與低偏移電壓 (典型值 ±5 μV，最大值 ±20 μV)，因此能簡化精密設計的溫度相關校準作業。此外，規格書有針對所有關鍵參數提供典型數值以及最小或最大規格 (視情況而定)。

佈局與防護

若使用許多類比元件，尤其是 ADA4510-2 等精密元件時，必須仔細考量佈局細節和其他細微之處，才能發揮元件的效能潛力。由於 ADA4510-2 的輸入阻抗極高，若印刷電路板 (PCB) 佈局中的漏電阻和寄生電容導致任何分流阻抗，都會嚴重影響其低偏壓輸入的效能。ADA4510-2 的規格書提供更多細節。

規格書強調，可能需要使用「防護」技術來降低輸入節點看到的電壓梯度，藉此防範寄生漏電流。「防護」是一種成熟的技術，可在高阻抗節點周圍建立一個低阻抗導體，並將此導體驅動至該節點的電壓。此技術會將漏電流從敏感的節點，轉移至低阻抗的防護裝置內，進而為漏電流提供緩衝 (圖 2)。

圖 2：防護技術可將高阻抗輸入端漏電流的有害影響降至最低。上圖利用線路圖展示防護概念；下圖則顯示防護技術在電路板上的佈局實作。(圖片來源：Analog Devices)

利用評估板實際演練

比起花時間自行製作測試佈局以評估 ADA4510-2 在應用中的適用性，使用廠商提供且經過最佳化的評估板，更可節省時間並發揮更佳效能。Analog Devices 為此提供 EVAL-ADA4510-2ARZ (圖 3)。這款設計小巧緊湊，使用表面黏著技術 (SMT) 元件，以及標準 0603 (0.06 × 0.03 in)外殼尺寸 (旁路電容和端接電阻除外)。

圖 3：EVAL-ADA4510-2ARZ 評估板小巧便利且經過最佳化，可在目標應用中執行 ADA4510-2 功能及評估其特性。(圖片來源：Analog Devices)

此評估板具有許多未焊接的電阻與電容覆蓋區，因此使用者在實作不同的應用特定電路時，能靈活挑選適用的樣式。另外，還提供光電二極體感測器，因此可輕鬆配置轉阻放大器 (TIA)。此佈局含有防護技術，可確保達到 TIA 應用所需的低洩漏與寄生電容。

此板件採用邊緣安裝式 SMA 連接器，可輕鬆與測試設備及其他電路介接。UG-2133 使用指南共 7 頁，涵蓋安裝資訊、線路圖、頂端和底部的電路板佈局樣式以及零件物料清單 (BOM)，可供設計人員當作設計指南。

結論

在設計高效能 AFE 時，挑選合適的運算放大器至關重要。使用 ADA4510-2 等精密運算放大器及自行研發的微調技術，就可將訊號鏈漂移和雜訊降至最低，以免效能折損。

相關內容 (皆來自 Analog Devices)

• ADA4510-2 規格書

https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ada4510-2.pdf

• UG-2133 EVAL-ADA4510-2ARZ 使用指南

https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/user-guides/eval-ada4510-2-ug-2133.pdf

• Engineer Zone，「防護技術」

https://ez.analog.com/amplifiers/w/documents/25819/guarding-techniques

• 應用說明 AN-347，「屏蔽與防護」

https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/41727248AN_347.pdf

• 技術說明，「精密運算放大器的佈局」

https://www.analog.com/en/resources/technical-articles/layout-for-precision-op-amps.html