自调零运放实现高精度应用

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22
高精度电路：
AZ OA vs. Δ-Σ ADC

混合信号与AZ OA配合使用

优点

简单 高分辨率 经济 低PIC® MCU开销 更为方便的PCB设计 噪声 PCB面积 无内部PGA功能
0.2R
100R
1k VDD
10n
0.01C 1µ 10n 0.2R
Δ-Σ ADC
2
PIC® MCU µC
MCP3425 MCP6V01
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高精度电路：
示例——电桥

解决方案3
高精度电路：
示例——RTD

RTD

解决方案1
VDD
RW
RT 10n
10n RB
1
增益放大前端 现代 模拟校正 比例基准 模拟信号电路 无放大器
R1
1µ R1
RRTD 100 RW
CMOS Analog Switch
VDD Δ-Σ ADC
3
Biblioteka Baidu
PIC® MCU µC
RW
R1
MCP3550-60
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3
概述：
课程安排



高精度电路 多种设计方案 PCB布线技巧和诀窍 热问题 热问题的解决方案 其他问题 总结
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第一种结类型，25.00°C 第二种结类型，25.00°C 假设行为 （结在左）： k0 = +1 mV k1 ≈ +40 µV/°C
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第二种结类型，25.00°C 第一种结类型，25.00°C y x
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U1
(THJ) S1
(TCJ) V1
R/250 402
K类 热电偶 40 µV/°C
R/250 402
C 2.2n
R 100k
V3
R 100k
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C3 100n
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高精度电路：
PCB技巧与诀窍：
问题（热结）
80 70
ITS-90 Thermocouples E J T K N B R S
ΔV TH/ΔT A (礦 /癈 )
60 50 40 30 20 10 0 -100
-50 0 50 100 Thermocouple Temperature (癈 )
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VIN
VDD/2
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高精度电路：
示例——VOS校正

解决方案2 （单位增益缓冲器）
VIN
R4 U2 10k MCP6V06
R6 2k
R5 200k
C2 1n
U1 MCP631
1µ 10n
2
1k
MCP3425
R1 ½ MCP6V02 R4
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高精度电路：
示例——热电偶

热电偶
VDD U2 MCP9700A R V2 100k R 100k C 2.2n 增益放大前端 传统与现代 模拟校正 绝对基准 模拟电路 一个放大器 U1 MCP6V01 R3 3.01k V
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10
高精度电路：
器件

Microchip器件特性
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11
高精度电路：
策略

传统设计方案vs.现代设计方案

模拟vs.数字校正 绝对值vs.比例基准 模拟vs.混合信号电路 多个vs.少数放大器
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6
高精度电路：
传感器分辨率
Type Resolution Temperature Sensors Integrated Silicon ±1° C → Thermocouple ±0.5° C → NTC Thermistor ±0.1° C → RTD ±0.01° C → Wheatstone Bridges Strain Gages ±1µ in/in → Pressure Sensor ±0.1% → Sensitivity ±2,000 µV ±20 µV ±10,000 µV ±4 µV 2 mV/° C 40 µV/° C 4%/° C 0.385%/° C

器件名称
可用器件
ΔVOS/ΔTA VOS AOL、CMRR和PSRR （±nV/°C） （±µV） （dB） 最大值 最大值 最小值 50 50 50 2 3 2 130 120 120
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Eni（µVP-P） 典型值 （0.01至1 Hz） 0.79 0.54 0.32
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12
高精度电路：
示例——VOS校正

用于驱动器的VOS校正

电源或高频驱动器 解决方案1（反相增益）
R1 2k R2 20k VOUT R3 10k R4 12k C1 1n R5 200k R6 U2 2k MCP6V01 U1 MCP631 C2 1n 传统 少数放大器

缺点


根据噪声设置滤波器带宽
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高精度电路：
AZ OA vs. Δ-Σ ADC

Δ-Σ ADC立即转换

优点

电路简单 高分辨率 精确 “无”外部器件 固件 PIC® MCU处理开销 价格 内部阻抗及开关
∂T/∂x = 0°C/in ∂T/∂y = 0°C/in

缺点


为抗混叠设置滤波器带宽
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PCB技巧与诀窍： 热问题
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传统 少数放大器
R3 10k
C1 1n VOUT
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高精度电路：
示例——电桥

电桥放大器

解决方案1
VDD 增益放大前端 现代 比例基准 模拟信号电路 无放大器 VDD Δ-Σ ADC 1k MCP3425
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4
概述：
课程安排

附录 参考 INA演示板的热响应情况 各种印刷电路板的技巧与诀窍 高精度设计实例
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5
高精度电路： 各种设计方案
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2
概述：
课程摘要
您是否对设计高精度电路感兴趣？
想知道如何将自调零运放、 Δ-Σ ADC和PIC® MCU配合使用从而 简化您的设计吗？
本课程涵盖了自调零运放的基础知识，并介绍如何将其运用到高 精度电路中去。课程中还将包括传统的、精简模拟内容和混合 信号等解决方案。将着重讲述如何权衡复杂性、精度和成本。 本模拟课程适合模拟技术等级3的学员参加（有一定经验）。
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利用自调零运放实现高精度应用
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1
概述：
课程目标



使用自调零运放进行设计 为您的应用选择合适的电路 从广泛的高精度电路中选择您的设计方案
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演示

热电偶自调零参考设计
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高精度电路：
AZ OA vs. Δ-Σ ADC

AZ OA与Δ-Σ ADC解决方案的比较

偏移、误差和噪声相似 取决于：

所需性能 所需成本 可用的PIC® MCU资源 可用的PCB面积
150
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27
PCB技巧与诀窍：
问题（热结）
k0 + (T – 25°C) k1
+1000 2000 µV -1000
1000 µV
+1000 0 µV
1000 µV
-1000 0 µV
铜走线
电阻
铜走线

（精确）斩波稳态 零漂移 自动调零 高精度 自相关调零
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8
高精度电路：
器件

内部环路纠正偏移（VOS）

同时纠正：


AOL CMRR PSRR 1/f噪声
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18
高精度电路：
示例——RTD

解决方案2
VDD
R4
½ MCP6V02 R1
RW
RT 10n
增益放大前端 现代 模拟校正 比例基准 模拟信号电路 少数放大器
10n
R2 R2 R3 R3 10n
1k
VDD Δ-Σ ADC PIC® MCU µC
RRTD 100 RW RB RW
时钟
MCP6V01/2/3 MCP6V06/7/8 MCP6V27
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扩频 固定 固定
高精度电路：
器件

Δ-Σ A/D转换器

过采样和平均


纠正误差 降低量化噪声 需要低阶数抗混叠滤波器
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2
R R
R R 10n 1µ 10n 1k
PIC® MCU µC
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高精度电路：
示例——电桥

解决方案2
VDD
增益放大前端 现代 比例基准 模拟信号电路 一个放大器
R R
R R
±5 µV 2 Ω/Ω/in/in ±2,500 µV 2.5 mV/psi
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7
高精度电路：
器件

自调零运放（AZ OA）

名称来源于Teledyne公司（通过Telcom） 其他常用名称：
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PCB技巧与诀窍：
问题（热结）

热结

塞贝克效应

热电偶 任何不同金属构成的结 也影响电阻和过孔 与温度近似线性

偏移（k0）~ 正负几个或几十mV 增益（k1）~ 正负几十或几百µV/°C 根据金属的方向
ΔV ≈ k0 + (T – 25°C) k1
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VDD 200 ½ MCP6V27
增益放大前端 现代 比例基准 模拟信号电路 少数放大器
R
R
R 1µ R 10n 1µ 10n 1µ 200 1k MCP3425 200 200 20k 20k Δ-Σ ADC
2
1k
VDD PIC® MCU µC
½ MCP6V27
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