单电源缓冲器电路的实际设计

      本系列的第5部分将着重讨论"实际"应用，我们到目前为止所学会的技巧和经验都将得到应用，帮助我们方便地稳定一个复杂的电路。我们将设计一个通用单电源缓冲放大器（将2.1V 缓冲至4.1V 参考），5V 单电源供电使它能够线性地工作，可提供较大的输出电流（》13mA），并在 -40°C 至 +125°C 工作温度范围的飘移为0.4V。虽然可将该电路用于许多应用中，但我们仍将简要介绍一下促使给出这个设计的原因，并解释为何没有现成的电路可用来完成此项工作。我们这里采用综合技术来开发器件网络，以提供一个证明对许多运放应用都有益的稳定电路。

　　技术背景：

　　在实际应用中，惠斯通电桥的一个常见应用就是压力测量。如图5.1 所示，随着所加压力变化，很多这种压力传感器都具有明显的二阶非线性特性。

　　图5.1 典型实际传感器输出比所加压力

　　图字（上、下）：室温下电桥输出与压力关系、理想传感器、实际传感器；

　　坐标轴字： X 轴：压力、Y 轴：Vexc=1V 时的电桥输出（V/V 或Vbridge）

　　除了随所加压力变化而产生的非线性外，许多压力传感器随温度变化在偏移量和范围上也有非线性特性。用来校

　　正这些误差的一种现代解决方法是在压力传感器中内置电子电路，然后将电子电路与压力传感器作为一个模块，

　　随着温度的变化进行数字校准。一种适用于此类用途的IC是由德州仪器公司提供的Burr-Brown产品PGA309（如

　　图5.2 所示）。此输出电压已经过数字校准的传感器，其信号调整IC包含有一个模拟传感器线性化电路，该电路

　　将输出电压的一部分反馈至传感器的电压激励引脚，从而以20:1 的改良比例对二阶非线性进行线性化。因此，

　　VEXC引脚将随传感器所加压力的变化而对其电压进行调整。此电路的一个局限就是其传感器激励引脚VEXC，在工

　　作温度范围内限制在5mA最大输出电流上。这里我们遇到了一个两难的境地，即如何用一个阻抗来激励要求电流

　　超过5mA的传感器。

　　图 5.2：现代数字校准传感器信号调整器

　　图字（左右、上下）：非线性电传式感器、线性化电路、参考、模拟传感器线性化电路、线性化DAC、故障监视器、自动零点PGIA、过/欠刻度限幅器、模拟信号调整电路、外部温度、数字温度补偿、内部温度、温度ADC、控制寄存器接口电路、线性Vout、数字计算。

　　设计要求：

　　图5.3 详细给出了主要的设计指标。我们希望用一个容差为10%的5V电源来供电。我们需要一个统一增益缓冲器，因为我们不希望在PGA309 线性化环路中引入任何误差。由于PGA309 在VEXC引脚上有很宽的可编程范围，因此我们需要容纳从2.1V至4.1V的电压范围。我们最小的传感器阻值为300Ω。因此，对于最大4.1V的输出电压，我们至少需要提供13.6mA的电流。PGA309 线性化电路具有大约35 kHz的带宽。由于环路闭合的方式，我们的缓冲器带宽至少要等于或大于线性化环路的带宽。我们将目标定为100kHz的小信号闭环带宽。对于我们感兴趣的传感器应用来说，大信号响应若有1V/μs的摆动速率就足够了。该设计在从 -40°C 至 +125°C的温度范围内应该是稳定工作的。因为我们不希望由于缓冲器的原因而在最后应用电路中引入任何额外的误差，因此我们需要一个在运放共模输入范围内不会有任何交叉失真的电路。我们将简要讨论一下这个问题，因为它几乎对所有CMOS单电源轨至轨输入 （RRI） 运放来说都是一个问题。

　　图5.3 单电源、大电流缓冲器指标