【導讀】在電子工程領域，運算放大器是構建精確、可靠電路的核心組件之一，被廣泛應用于信號放大、濾波、模擬計算和反饋控制等眾多領域。作為一種基礎但極為重要的組件，運算放大器的性能直接影響到電路的精確度和穩(wěn)定性。它們不僅在模擬信號處理上發(fā)揮關鍵作用，還在數(shù)字系統(tǒng)的模擬前端電路中起著至關重要的作用。
在電子工程領域，運算放大器是構建精確、可靠電路的核心組件之一，被廣泛應用于信號放大、濾波、模擬計算和反饋控制等眾多領域。作為一種基礎但極為重要的組件，運算放大器的性能直接影響到電路的精確度和穩(wěn)定性。它們不僅在模擬信號處理上發(fā)揮關鍵作用，還在數(shù)字系統(tǒng)的模擬前端電路中起著至關重要的作用。例如，在醫(yī)療設備、精密測量儀器以及通信系統(tǒng)中，運算放大器的性能直接決定了整個系統(tǒng)的成敗。此外，運算放大器的靈活性使其能夠適應各種應用需求，無論是簡單的信號放大電路，還是復雜的模擬計算系統(tǒng)。
本次，中電網(wǎng)有幸邀請到深耕電源研發(fā)12年的資深工程師施博士參與測評。施博士主導并參與了多個高復雜度的電源設計項目，涵蓋從低噪聲、高精度測量到高頻信號處理等廣泛應用，積累了深厚的技術和豐富的實戰(zhàn)經(jīng)驗。測評板卡是來自ADI的ADA4510-2，由全球排名前列的電子元器件授權代理商WT文曄提供。
ADA4510-2運算放大器是一款集成了先進技術和創(chuàng)新設計的產(chǎn)品，不僅在性能上達到了行業(yè)頂尖水平，還在多種應用場景中展現(xiàn)了其卓越的適應能力。在接下來的評測中，施博士將解析這款運算放大器的主要特性，包括其獨特的設計優(yōu)勢、實際應用效果，通過對ADA4510-2的簡單評估，給工程師們提供一些參考。
了解ADA4510-2
ADA4510-2 是一款高精度、低噪聲的雙通道運算放大器，具有40 V的高電壓范圍和軌到軌輸入/輸出特性，適用于信號鏈的各個環(huán)節(jié)。它采用ADI公司的DigiTrim?技術，實現(xiàn)了極低的失調(diào)電壓（典型值：±5 μV，最大值：±20 μV）和失調(diào)電壓漂移（典型值：±70 nV/°C，最大值：±500 nV/°C），簡化了溫度校準過程。ADA4510-2 提供優(yōu)異的直流精度和交流性能，適合各種信號鏈應用，解決系統(tǒng)失真和建立問題。它具有?40°C至+85°C或?40°C至+125°C的工作溫度范圍，并采用8引腳SOIC_N封裝。極低的失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流，讓這款運算放大器十分適合用在醫(yī)療儀器、精密電流測量、電子測試與測量等高要求領域。
ADA4510-2測評
接下來，將結合ADA4510-2的評估板EVAL-ADA4510-2，針對失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流進行簡單測試。
ADA4510-2 的全功能評估板（如圖1所示）是一款適用于快速原型制作的工具，專為雙通道低輸入偏置電流放大器設計，采用8引腳窄體SOIC封裝。評估板允許用戶自定義電路配置，配備邊緣安裝型SMA連接器，便于連接測試設備和其他電路。它還支持配置光電二極管傳感器，以加速評估過程，并提供光電二極管偏置連接，同時其保護走線設計旨在盡量減少漏電流。
圖1 EVAL-ADA4510-2評估板
在理想運放的條件下，兩個輸入端上的電壓若均為0V，則輸出電壓也應該等于0V。但在實際情況下，由于制造工藝和器件參數(shù)的不完美性，運算放大器的兩個輸入端口并不完全相等，導致存在微小的電壓差，即輸入失調(diào)電壓。運放的失調(diào)電壓參數(shù)則是直流噪聲的重要組成部分，也是評估一款運放水平的重要參考要素。輸入失調(diào)電壓的測試電路如圖2所示。
圖2 輸入失調(diào)電壓測量電路
該測試電路以1001的增益放大輸入失調(diào)電壓，在Vout處使用萬用表測量電壓，折合到輸入端(RTI)的失調(diào)電壓通過輸出電壓除以增益計算得出。從輸入端獲得源阻抗較小，因而產(chǎn)生的偏置電流對測量的失調(diào)電壓的影響可忽略不計。例如，流經(jīng)10Ω電阻的2nA偏置電流產(chǎn)生的折合到輸入端誤差為0.02μV。依據(jù)圖2原理圖，在評估板上焊接對應器件，組合成測量電路，在26℃的環(huán)境溫度下，通入±20V電源，測得結果如圖3，圖4所示。
圖3 運放供電電源
圖4 運放輸出電壓
實際測得運放輸出電壓值為12.7mV，除以增益可得失調(diào)電壓約為12.69uV。本次測量因條件有限，仍有許多不足之處，導致測量值有一定誤差。產(chǎn)生誤差的因素有如下幾點：
1.誤差源來自電路上寄生熱電偶節(jié)點，該熱電偶電壓范圍可達2μV/oC至40μV/oC以上，電阻等器件的兩個連接點會產(chǎn)生兩個大小相等、極性相反的熱電電壓。這兩個電壓會相互抵消，前提是假定兩者溫度完全相同。因此應將評估板放置在小型密閉容器，減小測試電路中的氣流，使得所有熱電偶節(jié)點穩(wěn)定在同一溫度。密閉容器最好使用金屬盒子，同時減小電磁干擾。
2.所使用的貼片電阻精度不足帶來的誤差，同時也包括測量使用的萬用表精度不足帶來的誤差。
與失調(diào)電壓類似，在理想情況下，運算放大器的輸入端并無電流流入。而實際上，始終存在兩個輸入偏置電流，即IB+和IB-。對運放來說，偏置電流是個問題，因為當其流過外部阻抗時會產(chǎn)生電壓，進而導致系統(tǒng)誤差增加。由于制造工藝問題，兩個偏置電流幾乎總是不相等。這兩個偏置電流之差為輸入失調(diào)電流Ios。要測量輸入失調(diào)電流，則可使用圖5所示電路。
圖5 輸入失調(diào)電流測量電路
該測試電路應插入大電阻RS與待測輸入端串聯(lián)，從而產(chǎn)生大小等于IB×RS的顯著額外失調(diào)電壓。如果之前已經(jīng)測量并記錄實際的VOS，則可以確定因RS變化而導致的VOS明顯變化，進而可以輕松計算出IB。這樣即可得出IB+和IB–的值。IB的額定值是這兩個電流的平均值，即IB = (IB+ + IB–)/2。事實上，使用這個測量電路也可測量Vos，Ios，如圖6所示。
圖6 輸入失調(diào)電流測量電路配置
Rs通常選擇100k歐，若被測運放偏置電流很小，應選擇阻值更大的電阻減小誤差。本次測量Rs選擇1MΩ,R2選擇100KΩ,即增益為1001。以此測試電路，在評估板上焊接對應器件，組合成測量電路，如圖7所示，S1、S2打開（即杜邦線連接電阻）；
圖7 輸入失調(diào)電流測量接線
在26℃的環(huán)境溫度下，通入±20V電源，測得失調(diào)電流約為2.3pA。與測試失調(diào)電壓的情況相同，測量條件有效導致測得值相較于實際值仍有較大誤差，測量數(shù)據(jù)僅供參考。
應用前景
1. 音頻處理：ADA4510-2運算放大器可以用于音頻信號放大、濾波和調(diào)整等處理，以提高音頻設備的音質(zhì)和性能。
2. 生物醫(yī)學信號處理：在生物醫(yī)學領域，ADA4510-2可用于放大心電圖（ECG）、腦電圖（EEG）等生物電信號，以滿足醫(yī)療設備對信號精度和穩(wěn)定性的高要求。
3. 工業(yè)控制：ADA4510-2可用于工業(yè)控制系統(tǒng)中的信號處理，如傳感器信號放大、濾波和反饋控制等，以提高系統(tǒng)的準確性和穩(wěn)定性。
4. 通信設備：在通信領域，ADA4510-2可用于放大和處理射頻（RF）信號，提高無線通信設備的性能。
5. 汽車電子：ADA4510-2可用于汽車電子系統(tǒng)中的信號處理，如傳感器信號放大、噪聲抑制等，以提高汽車電子設備的可靠性和性能。
ADA4510-2的優(yōu)勢
1. 低噪聲：ADA4510-2 的低噪聲性能有助于減少信號處理過程中的噪聲干擾，可低為1 μV p-p（典型值），提高系統(tǒng)信噪比。
2. 高共模抑制比（CMRR）：ADA4510-2 具有較高的CMRR，具有140 dB（典型值），可以有效抑制共模干擾，提高信號的完整性和穩(wěn)定性。
3. 寬工作電壓范圍：ADA4510-2 支持寬的工作電壓范圍，6 V 至 40 V、±3 V 至 ±20 V，適應各種電源環(huán)境，增強了其應用靈活性。
4. 誤差極小： ADA4510-2本身誤差極小，標準情況下失調(diào)電壓可低為5uv，失調(diào)電流0.25pA。
5. 小型化封裝：ADA4510-2 采用小型化封裝，有利于減小PCB面積，降低系統(tǒng)成本。
6. 易于應用：ADA4510-2 具有穩(wěn)定的性能和簡單的應用電路，便于工程師設計和實現(xiàn)。
總結
通過對ADA4510-2運算放大器的測評，可以看出這款產(chǎn)品在高精度、低噪聲、寬電壓范圍等方面表現(xiàn)非常出色，尤其適合應用于要求苛刻的精密測量和信號處理領域。在實際測試中，雖然測量條件有一定限制，導致結果存在一定誤差，但依然驗證了其低失調(diào)電壓和低失調(diào)電流的特性。ADA4510-2在多種應用場景中展示了卓越的適應能力，無論是音頻處理、生物醫(yī)學信號處理，還是工業(yè)控制和汽車電子領域，這款運算放大器都能提供強大的支持。此外，它的小型化封裝和易于應用的特點也使得其在實際工程設計中具有很高的實用價值。
經(jīng)測試，ADA4510-2是一款非常值得推薦的運算放大器，它不僅能滿足高精度電路設計的需求，還能為系統(tǒng)的整體性能提升提供堅實的基礎。
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