AD8551/AD8552/AD8554是零漂移，单电源，轨对轨输入/输出运算放大器

特征

低偏移电压：1 mV；输入偏移漂移：0.005 mV/8C；轨对轨输入输出摆幅；+5 V/+2.7 V单电源操作；高增益，共模抑制比，PSRR:130分贝；超低输入偏置电流：20帕；低电源电流：700毫安/运算放大器；过载恢复时间：50 ms；无需外部电容器。

应用

温度传感器；压力传感器；精密电流传感；应变计放大器；医疗器械；热电偶放大器。

一般说明

这种新型放大器具有超低的失调、漂移和偏压当前。AD8551、AD8552和AD8554是单、双和四路放大器具有轨对轨输入和输出摆动。全部保证在+2.7 V到+5 V的单电源下运行。AD855x系列仅提供以前发现的优点在昂贵的自动调零或斩波稳定放大器。使用模拟器件的新拓扑新零漂放大器低成本与高精度相结合。没有外部电容器必修的。

偏移电压仅为1μV，漂移为0.005μV/℃，AD8551非常适合错误的应用不能容忍消息来源。温度、位置和压力传感器、医疗设备和应变计放大器在其运行过程中，几乎零的漂移可使其受益匪浅温度范围。轨对轨输入输出摆动由AD855x系列提供，使得高侧和低侧传感都很容易。

AD855x系列适用于扩展工业/汽车（–40°C至+125°C）温度范围。AD8551单芯可用于8导MSOP和窄8导SOIC包装。AD8552双放大器有8线窄SO和8-铅TSSOP表面安装包。这个AD8554四芯可用于窄14引线SOIC和14引线TSSOP包。

引脚配置：

功能描述

AD855x系列放大器是高精度的轨对轨运算放大器，可以从一个电源电压运行。它们的典型偏移电压小于1μV，使得这些放大器能够容易地配置为高增益，而不存在过度输出电压误差的风险。5 nV/℃的极微小温度漂移确保了在-40℃～+125℃的整个温度范围内的最小偏移电压误差，使AD855x放大器成为各种敏感测量应用的理想选择，适用于恶劣的工作环境，如汽车的发动机罩下和制动/悬挂系统。

AD855x系列是CMOS放大器，通过自动调零稳定实现高精度。这种自校正拓扑允许AD855x在较宽的温度范围和工作寿命内保持其低偏置电压。

放大器结构

每个AD855x运算放大器由两个放大器组成，一个主放大器和一个辅助放大器，用于校正主放大器的偏置电压。两者都包括一个轨对轨输入级，允许输入共模电压范围达到两个供电轨。输入级由NMOS差分对和并行PMOS差分对组成。差分输入级的输出被组合在另一个增益级中，该增益级的输出用于驱动轨对轨输出级。

放大器的宽电压摆幅是通过使用两个共源结构的输出晶体管来实现的。这些晶体管的漏源电阻限制了输出电压范围。当放大器需要产生或吸收更多的输出电流时，这些晶体管的rDS增加，提高了这些晶体管的电压降。简单地说，在大输出电流条件下，输出电压不会像在小输出电流条件下那样靠近钢轨摆动。这是所有轨对轨输出放大器的一个特点。图6和图7显示了在给定的输出电流下，输出电压如何接近轨道。AD855的输出短路保护到大约50毫安的电流。

AD855x放大器具有特殊的增益，在2KΩ的负载下产生大于120分贝的开环增益。因为输出晶体管被配置在公共源配置中，所以输出级的增益以及放大器的开环增益取决于负载电阻。负载电阻越小，开环增益越小。这是轨对轨输出放大器的另一个特点。

基本自零放大器理论

自校正放大器不是一项新技术。各种集成电路的实现已经有15年多的历史了，并且随着时间的推移已经有了一些改进。AD855x的设计比老版本提供了许多显著的性能改进，同时大大降低了设备成本。本节对AD855x如何提供极低的偏置电压和高的开环增益进行了简单的说明。

如前一节放大器结构所述，每个AD855x运算放大器包含两个内部放大器。一个用作主放大器，另一个用作自校正或零位放大器。每个放大器都有一个相关的输入偏置电压，它可以被建模为直流电压源，与非垂直输入串联。在图44和45中，这些被标记为VOSX，其中x表示与偏移相关联的放大器；A表示零位放大器，B表示主放大器。每个放大器的输入端+IN和–IN的开环增益为AX。两个放大器还具有第三电压输入，相关的开环增益为BX。

根据放大器中两组开关的作用，有两种工作模式：自动调零相位和放大相位。

自零相位

在此阶段，所有φA开关闭合，所有φB开关断开。这里，通过将两个输入端短接在一起，将零位放大器从增益回路中取出。当然，零位放大器中存在一定程度的偏置电压，如VOSA所示，该电压保持了输入端+in和-in之间的电位差。调零放大器反馈回路通过φA2闭合，在调零放大器的输出端和AD855x的内部电容CM1上出现VOSA。从数学上讲，我们可以在时域中将其表示为：

可以表示为，

这表明零位放大器的偏置电压乘以增益因子出现在零位放大器的输出端，从而出现在CM1电容器上。

放大相位

当φB开关闭合且φA开关打开用于放大阶段时，该偏移电压保持在CM1上，并且基本上校正来自零位放大器的任何误差。通过CM1的电压被指定为VNA。我们还可以将VIN指定为主放大器两个输入之间的电位差，或VIN=（VIN+–VIN-）。现在，调零放大器的输出可以表示为：

因为φA现在是打开的，没有地方让CM1放电，所以当前时刻t的电压VNA等于φA关闭时零位放大器VOA的输出电压。如果我们称之为自校正开关频率的周期TS，则放大器每0.5␣3␣TS在相位之间切换。因此，在放大阶段：

将式4和式2代入式3，得到：

为了简化，我们假设自校正频率比VOSA或VOSB中的任何潜在变化都快得多。这是一个很好的假设，因为偏移电压的变化是温度变化或长期磨损时间的函数，两者都比AD855x的自动零时钟频率慢得多。这有效地使VOS具有时间不变性，我们可以重新排列等式5并将其重写为：

或者，

我们已经可以感受到自动调零的作用了。注：VOS项减少了1+BA因子。这说明了零位放大器如何在校正主放大器之前就大大降低了其自身的偏移电压误差。现在主放大器输出电压是AD855x放大器输出的电压。等于：

在放大阶段，VOA=VNB，所以它可以重写为：

组合术语，

AD855x体系结构的优化方式是AA␣=␣AB和BA␣=␣BB和BA␣>>␣1。此外，AABB的增益积远大于AB。这使得等式10可以简化为：

最明显的是主放大器和零位放大器的增益积。这个AABA术语使AD855x具有极高的开环增益。为了了解VOSA和VOSB如何与整个放大器的总有效输入偏置电压相关，我们应建立以下通用放大器方程：

其中k是放大器和VOS的开环增益，EFF是其有效偏移电压。将方程12转化为方程11的形式可以得到：

从这里很容易看出：

因此，主放大器和零位放大器的偏置电压都被增益因子BA降低。这将典型的输入偏置电压从几毫伏降低到亚毫伏的有效输入偏置电压。这种自校正方案使AD855x系列放大器成为世界上最精确的放大器之一。

高增益，共模抑制比，PSRR

共模和电源抑制是放大器因输入共模或电源电压变化而产生的偏移电压量的指示。如前一节所示，AD855x的自校正结构使其能够非常有效地最小化偏移电压。该技术还修正了共模电压波动和电源变化引起的偏移误差。这将导致卓越的共模抑制比和峰值抑制比超过130分贝。因为自动校正是连续发生的，所以这些数字可以在设备的整个温度范围内保持，从-40°C到+125°C。

通过适当布局最大化性能为了实现AD855的极高输入阻抗和低失调电压的最大性能，在电路板布局中应注意。PC板表面必须保持清洁，没有湿气，以避免相邻痕迹之间的泄漏电流。电路板的表面涂层将减少表面水分并提供防潮层，减少板上的寄生电阻。在放大器输入端周围使用保护环将进一步减少泄漏电流。图46显示了如何配置保护环，图47显示了如何布置表面安装布局的俯视图。保护环不需要特定的宽度，但它应该围绕两个输入形成一个连续的循环。通过将保护环电压设置为非垂直输入电压，寄生电容也最小化。为了进一步减少泄漏电流，可以使用特氟龙隔离绝缘体将组件安装到PC板上。

其他可能产生偏移误差的来源是电路板上的热电电压。这种电压，也称为Seebeck电压，发生在两种不同金属的结合处，与结合处的温度成正比。电路板上最常见的金属连接是焊到板的痕迹和焊到元件的铅。图48显示了热电压误差源的横截面图。如果组件一端的PC板温度（TA1）与另一端的温度（TA2）不同，则Seebeck电压将不相等，从而导致热电压误差。

利用虚拟元件匹配热电误差源，可以减小热电偶的误差。将虚拟元件放置在尽可能靠近其伙伴的位置将确保两个Seebeck电压相等，从而消除热电偶误差。在电路板上保持恒定的环境温度将进一步减少这种误差。使用地平面将有助于将热量分布在整个电路板上，还将减少电磁干扰噪声的拾取。

1/f噪声特性

自动调零放大器的另一个优点是能够消除闪烁噪声。闪烁噪声，也称为1/f噪声，是半导体器件物理中固有的噪声，频率每降低一个倍频程就会增加3db。放大器的1/f角频率是闪烁噪声等于放大器宽带噪声的频率。在较低的频率下，闪烁噪声占主导地位，对次高频或直流精密应用造成较高的误差。

因为AD855x放大器是自校正运算放大器，所以它们在较低频率下不会增加闪烁噪声。从本质上讲，低频噪声被视为一种缓慢变化的偏移误差，并且由于自校正而大大降低。随着噪声频率接近直流，校正变得更加有效，抵消了噪声随频率降低呈指数增长的趋势。这使得AD855x在直流附近的噪声比标准低噪声放大器低，后者易受1/f噪声的影响。

互调失真

AD855x可以用作增益/带宽组合高达1.5MHz的传统运算放大器。该装置的自动校零频率固定在4khz。虽然这个频率的一个痕量将通过馈送到输出，放大器可以在更高的频率使用。图50显示了AD8552的频谱输出，放大器配置为单位增益，输入接地。

4 kHz自动调零时钟频率出现在振幅小于2μV的输出端。谐波也存在，但在基本自零时钟频率的降低水平。时钟频率馈通的幅度与放大器的闭环增益成正比。与其他自校正放大器一样，在较高的增益下，将有更多的时钟频率馈通。图51显示了增益为60db的放大器的光谱输出。

+60分贝增益

当输入信号被应用时，输出将包含某种程度的互调失真（IMD）。这是所有自校正放大器的另一个特点。IMD将显示为输入信号和4khz时钟频率（及其谐波）之间的和频和差频，其水平与输出处的时钟馈通类似或小于时钟馈通。IMD也与放大器的闭环增益成正比。图52显示了AD8552的频谱输出，该AD8552被配置为高增益级（+60分贝），并应用了1毫伏的输入信号。所有IMD产品的相对电平和谐波失真加起来，相对于输入信号产生-60dB的输出误差。在单位增益下，相对于输入信号，这些信号加起来只有-120分贝。

对于大多数低频应用，少量的时钟频率自零馈通不会影响测量系统的精度。如果需要，可以通过在放大器周围使用反馈电容器来减少时钟频率馈通。然而，这将降低放大器的带宽。图53a和53b示出了用于减少时钟馈通的配置以及在输出端的相应频谱分析。此配置的–3 dB带宽为480 Hz。

宽带和外部电阻噪声考虑

任何放大器输出的宽带噪声主要是三种噪声的函数：来自放大器的输入电压噪声、来自放大器的输入电流噪声和来自放大器周围使用的外部电阻器的约翰逊噪声。输入电压噪声（en）严格来说是所用放大器的函数。电阻的约翰逊噪声是电阻和温度的函数。输入电流噪声，或输入，产生与放大器周围电阻成比例的等效电压噪声。这些噪声源彼此不相关，它们的组合噪声和以平方根和的方式。完整方程如下：

式中，en=放大器的输入电压噪声，in=放大器的输入电流噪声，rS=与非垂直连接的源电阻；

终点站，k=玻尔兹曼常数（1.38 3 10-23 J/k），T=环境温度（单位：开尔文）（K=273.15+℃）。

AD855x的输入电压噪声密度en为42 nV/√，输入噪声in为2 fA/√。如果源电阻小于106 kΩ，则输入电压噪声将主导整个en。当源电阻大于106 kΩ时，系统的总体噪声将由电阻器本身的约翰逊噪声控制。

由于AD855x的输入电流噪声很小，除非rS大于4gΩ（这是一个不切实际的源电阻值），否则in不会成为主导项。

总噪声，en，total，用伏特/平方根赫兹表示，在一定带宽上的等效均方根噪声可以发现为：

其中BW是赫兹中感兴趣的带宽。

有关电路噪声分析的完整论述，请参阅1995年《模拟设备线性设计研讨会》一书。

输出超速恢复

AD855x放大器具有从任一供电轨仅200微秒的出色过驱动恢复。这种特性对于自校正放大器尤其困难，因为零位放大器需要非常长的时间来误差校正主放大器，使其返回到有效输出。图23和图24显示了AD855x的正超速和负超速恢复时间。

自校正放大器的输出过驱动恢复被定义为输出从过载状态校正到其最终电压所需的时间。它是通过将放大器置于一个高增益配置，输入信号迫使输出电压到供电轨来测量的。然后将输入电压降到放大器的线性区域，通常降到电源之间的一半。从输入信号降压到输出稳定到其最终值的100微伏以内的时间是超速恢复时间。大多数竞争对手的自动校正放大器需要一系列的自动零时钟周期才能从输出过驱动中恢复，有些则需要几毫秒的时间才能使输出正常稳定下来。

输入过压保护

尽管AD855x是一个轨对轨输入放大器，但应注意确保输入之间的电位差不超过+5 V。在正常工作条件下，放大器将校正其输出，以确保两个输入处于相同的电压。然而，如果该装置被配置为比较器，或者处于某种不寻常的工作条件下，则输入电压可能被强制到不同的电位。这可能导致过多的电流流过AD855x中的内部二极管，AD855x用于保护输入级不受过电压的影响。

如果任一输入超过任一供电轨0.3V以上，大量电流将开始流过放大器中的ESD保护二极管。这些二极管连接在输入端和每个供电轨之间，以保护输入晶体管免受静电放电事件的影响，并且通常是反向偏置的。但是，如果输入电压超过电源电压，这些ESD二极管将变得正向偏置。在没有电流限制的情况下，过多的电流可能流过这些二极管，从而对设备造成永久性损坏。如果输入受到过电压，应插入适当的串联电阻，以将二极管电流限制在最大值小于2毫安。

输出相位反转

当超过输入共模电压范围时，某些放大器会发生输出相位反转。当共模电压超出共模范围时，这些放大器的输出将突然朝与供电轨相反的方向跳跃。这是差分输入对关闭的结果，导致内部电压发生根本性移动，从而导致输出行为不稳定。

AD855x放大器经过精心设计，以防止任何输出相位反转，前提是两个输入都保持在电源电压范围内。如果一个或两个输入可能超过任一电源电压，则应将电阻器与输入串联，以将电流限制在小于2毫安的范围内。这将确保输出不会反转其相位。

电容负载驱动

AD855x具有卓越的电容负载驱动能力，可从单个+5V电源安全驱动高达10NF。虽然器件稳定，但电容负载会限制放大器的带宽。电容性负载也会增加输出的过冲和振铃量。R-C缓冲网络（图54）可用于补偿放大器的电容性负载振铃和过冲。

电容性负载

虽然缓冲器不能从负载电容中恢复放大器带宽的损失，但它将允许放大器在保持最小的过冲和振铃的同时驱动更大的电容值。图55显示了一个AD855x驱动一个1NF电容器的输出，有无缓冲网络。

使用缓冲网络减少

电阻器和电容器的最佳值是负载电容的函数，最好根据经验确定，因为实际的CLOAD将包括杂散电容，并且可能与标称电容负载有很大不同。表一显示了一些可以用作起点的缓冲网络值。

通电行为

通电后，AD855x将稳定到5微秒内的有效输出。图56a显示放大器输出的示波器照片以及电源电压，图56b显示测试电路。随着配置为单位增益的放大器，该装置需要大约5μs来解决其最终输出电压。这种开启响应时间比大多数其他自校正放大器快得多，它们的输出可能需要数百微秒或更长的时间才能稳定下来。

应用A+5v精密应变计电路

AD8552的极低偏置电压使其成为任何需要高增益精度的应用的理想放大器，例如称重仪或应变计。图57显示了单电源精密应变计测量系统的配置。

REF192为A2提供+2.5 V的精密参考电压。A2放大器提高该电压，为应变计电阻桥的顶部提供+4.0V参考电压。Q1为350Ω网桥网络提供电流驱动。A1用于放大电桥的输出，满标度输出电压等于：

其中RB是称重传感器的电阻。使用图57中给出的值，输出电压将从无应变的0 V线性变化到全应变的+4.0 V。

+3V仪表放大器

高共模抑制、高开环增益和低至+3v的工作电压，使AD855x成为分立单电源仪表放大器的最佳运算放大器选择。AD855x的共模抑制比大于120dB，但系统的共模抑制比也是外部电阻公差的函数。图58所示的差分放大器的增益为：

在理想差分放大器中，电阻的比率被设置为完全等于：

它将系统的输出电压设置为：

由于元件公差有限，四个电阻之间的比率不会完全相等，任何失配都会降低系统的共模抑制。参考图58，准确的共模抑制比可以表示为：

在图59所示的3运放仪表放大器配置中，输出差分放大器被设置为单位增益，所有四个电阻的值相等。如果电路中所用电阻器的公差为δ，则仪表放大器的最坏CMRR为：

因此，使用1%公差电阻将导致最坏情况下的系统CMRR为0.02或34 dB。因此，如图59所示，应使用高精度电阻器或附加微调电阻器来实现高共模抑制。该微调电阻器的值应等于R值乘以其公差。例如，使用公差为1%的10 kΩ电阻器需要一个等于100 Ω.

高精度热电偶放大器

图60显示了带有冷端补偿的K型热电偶放大器配置。即使在+5 V电源下，AD8551也能提供足够的精度，以实现从0°C到500°C的高于0.02°C的分辨率。D1用作温度测量设备，以纠正热电偶的冷端误差，并应尽可能靠近两个端接接头。当热电偶测量头浸入零度冰浴中时，应调整R6，直到输出为0 V。

使用图60中所示的值，输出电压将跟踪10 mV/℃下的温度。对于更宽的温度测量范围，R9可以降低到62 kΩ。这个遗嘱在输出端产生5毫伏/摄氏度的变化，允许测量高达1000摄氏度。

精密电流表

AD855x具有输入偏置电流小、单电源电压偏置电压高的特点，是一种性能优良的精密电流监测放大器。它的轨对轨输入允许放大器用作高侧或低侧电流监视器。在AD8552中同时使用两个放大器提供了一种简单的方法来监视电流供应和回流路径，以便进行负载或故障检测。

图61显示了高压侧电流监视器配置。这里，放大器的输入共模电压将处于或接近正电源电压。放大器的轨对轨输入提供精确的测量，即使输入共模电压在电源电压。CMOS输入结构不产生任何输入偏置电流，确保测量误差最小。

0.1Ω电阻对AD855x的非垂直输入产生电压降。放大器的输出被校正，直到该电压出现在反向输入处。这会产生通过R1的电流，而R1又会流过R2。监视器输出如下：

使用图61所示的组件，监视器输出传输功能为2.5␣V/A。

图62显示了低端监视器的等效值。在该电路中，AD8552的输入共模电压将处于或接近接地。同样，0.1Ω电阻提供与返回电流成比例的电压降。输出电压如下：

对于图62所示的分量值，输出传递函数从V+降低到–2.5 V/A。

精密电压比较器

AD855x可以开环操作，用作精密比较器。在这种配置下运行时，AD855x的偏移电压小于50μV。偏移电压的轻微增加是由于自校正结构在闭环结构（即负反馈结构）中以最小偏移量工作。在50 mV的超速档下，该装置在上升沿上的传播延迟为15微秒，在下降沿上的传播延迟为8微秒。

应注意确保设备的最大差分电压不超过。有关更多信息，请参阅输入过电压保护一节。

SPICE模型

AD855x放大器的SPICE宏模型在清单1。该模型模拟AD855x的典型规格，可从模拟设备网站http://www.Analog.com下载。宏模型的示意图如图63所示。

晶体管M1到M4模拟AD855x放大器中的轨到轨输入差分对。EOS电压源与非垂直输入串联，不仅建立1μV偏置电压，而且还用于建立共模和电源抑制比以及输入电压噪声。节点14到16和节点17到18的差分电压被反射到E1，E1用于模拟放大器开环增益中的次极点零组合。

然后，节点32处的电压被反射到G1，G1增加了一个额外的增益级，并且与CF一起，建立了0.5v/微秒下的模型的转换速率。M5和M6处于公共源配置中，类似于AD855x放大器的输出级。EG1和EG2将这两个晶体管中的静态电流固定在100微安，也有助于准确模拟放大器的输出与输出特性。

ECM1周围的网络产生共模电压误差，CCM1设置CMRR滚转的拐角频率。电源抑制误差是由EPS1周围的网络产生的，CPS3建立了PSRR滚降的拐角频率。节点80和81周围的两个电流回路用于在RN2上产生42 nV/√噪声系数。这三个误差源都通过状态方程反映到运放模型的输入端。最后，用GSY精确地模拟了AD855x中的电源电流与电源电压的关系。

这个宏模型被设计用来精确地模拟AD855x放大器所显示的许多规格，是可用于任何运算放大器的最真实的宏模型之一。它被优化为在+27°C下运行。尽管模型在不同温度下运行，但它可能会失去与AD855x实际性能相关的精度。