發布日期：2022-04-20 點擊率：63
熱電堆是有用的非接觸式傳感器，不僅可以測量溫度，還可以檢測特定氣體。由于熱電堆可能具有相對較高的串聯阻抗，因此它們對電路設計人員提出了許多挑戰，他們試圖在寬溫度范圍內獲得絕對精度，同時滿足所需的最低分辨率。
熱電堆的低輸出電壓（從數百微伏到幾毫伏）需要高增益配置，這使得低失調和溫度漂移非常重要。這需要高精度運算放大器 (op amps) 具有低或無 1/f 噪聲、低輸入偏置電流 (IB) 和隨時間推移非常低的偏移偏移 - 例如零漂移放大器。
在本文中，我將描述將零漂移放大器連接到此類傳感器的最佳實踐，包括如何降低輸出噪聲以提高分辨率，并解釋為什么某些電路需要匹配輸入阻抗。這是討論如何使用基于 TI 最新專有互補金屬氧化物半導體精密工藝技術構建的運算放大器提高系統精度和效率的四部分系列文章的第三部分。
由于大多數熱電堆應用需要從幾赫茲到 300 Hz 的低頻響應，因此很容易使用微功耗低增益帶寬 (350 kHz) 零漂移運算放大器，例如OPA333。然而，由于放大器的寬帶噪聲與其靜態電流 (I Q )成反比，因此像 OPA333 這樣的微功率器件自然具有比其更高帶寬（更高 I Q）替代品更高的噪聲頻譜密度，這從根本上限制了其分辨率熱電堆應用。
圖 1 是這樣一種熱電堆檢測器的示例，該檢測器使用 G = 1,001 的 OPA333，熱電堆電壓 (Vtp) 為 100μV。在本應用中，705μVrms 總輸出電壓噪聲可預見地由 OPA333 的 55nV/√Hz 寬帶噪聲頻譜密度支配，而不是由內部 10kΩ 熱電堆電阻 (Rtp) 的熱噪聲支配，并導致最小信噪比 (SNR) 僅為 43 dB，20×log(100 mV/705 μV)。此外，為了將 OPA333 的輸出電壓保持在其線性范圍內（如數據表中在開環增益條件下定義的那樣），單電源應用可能需要至少 100mV 的參考電壓 (Vref)。
圖 1：G = 1,001 的熱電堆應用中的 OPA333
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對于大多數熱電堆應用，最好選擇運算放大器，以使 Rtp 的熱噪聲（而不是運算放大器的輸入寬帶噪聲）主導總噪聲。一個這樣的零漂移運算放大器是 OPA189，它具有 5.2 nV/√Hz 的低寬帶噪聲，遠低于 12.7 nV/√Hz、√(4kTR)、內部 10kΩ 熱電堆電阻的熱噪聲 - 這導致總輸入13.7 nV/√Hz 的噪聲密度明顯受 Rtp 熱噪聲支配。
圖 2 顯示了在雙電源應用中使用 OPA189 的熱電堆電路示意圖。內部 10-kΩ 熱電堆電阻和外部 100-nF 電容器 (Ctp) 形成一個低通噪聲濾波器，其截止頻率為 -3 dB：159.2Hz，fc=1/(2×π×10kΩ ×100nF) –該濾波器在高熱電堆 Rtp 的情況下尤為重要，其中 Ctp 可用于優化傳感器噪聲性能及其響應時間。
在圖 2 中，OPA189 放大器的增益同樣設置為 1,001，其 -3 dB 截止頻率為 144.8 Hz，通過選擇 RF||CF 反饋來設置：fc=1/(2×π×220kΩ×5nF) . 所有這些都導致輸出總噪聲大大提高，達到 165.6 uVrms。然而，OPA189 具有更高速度的內部偏移校正電路，其中輸入端子之間的大阻抗失配導致 IB 斬波尖峰被轉換為額外的電壓偏移誤差。這會引起 52uV 的輸入失調，該失調會被放大到輸出并導致較大的輸出誤差。
圖 2：G = 1,001 的熱電堆應用中的 OPA189
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在平衡輸入阻抗的情況下，IB 斬波尖峰相互抵消。因此，可以通過在反相輸入端增加一個 Rtp_match 10-kΩ 電阻來有效消除這種偏移誤差。話雖如此，添加一個匹配電阻器自然會導致總輸出電壓噪聲增加大約 √2 倍（達到 254.9 μVrms）。可能還需要 Cin_match 等于 OPA189 內部輸入電容 (Cin_diff+Cin_cm)，以保持熱電堆解決方案的良好穩定性，如圖 3 所示。
圖 3：具有匹配輸入阻抗的熱電堆應用中的 OPA189
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因此，為了獲得熱電堆應用的最佳解決方案，請考慮使用低噪聲斬波放大器，例如 OPA387，它不僅具有極低的最大輸入電壓偏移和偏移漂移（分別為 1 μV 和 0.012 μV/C）但在 100 Hz 時的典型電壓噪聲頻譜密度為 8.5 nV/√Hz，在 10 Hz 時電流噪聲極低，僅為 70 fA/√Hz（在 10 kΩ 熱電堆上僅貢獻 0.7 nV/√Hz）。該運算放大器在輸入阻抗不匹配時也更加寬容。因此，在現在熟悉的熱電堆應用電路中使用 OPA387 可降低 (190.7 μVrms) 總輸出噪聲，并且（除了放大器固有的微小偏移）輸出誤差可忽略不計 - 請參見圖 4。
圖 4：G = 1,001 的熱電堆應用中的 OPA387
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圖 5 顯示了 G = 1,001 的熱電堆電路的完整實現，包括一個 Vref 緩沖器，可確保 OPA387 輸出級在單電源上線性運行，以及一個具有截止頻率的附加低通輸出濾波器 (Ro||Co) 159.2赫茲。該濾波器進一步將總集成輸出噪聲降至 154 μVrms，從而使解決方案的整體分辨率更高；對于 100 μV 的 Vtp，最小輸出 SNR 為 56 dB，對于 3.1 mV 的 Vtp，最大 SNR 為 86 dB。
圖 5：具有參考電路和輸出濾波的 OPA387 熱電堆應用
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您還可以使用雙電源或 LM7705 負電荷泵來驅動 OPA387 的負電源引腳，如圖 6 所示。這種方法通過允許運算放大器輸出到達系統地來消除對 Vref 電路的需求。圖 6 右側的圖表顯示了熱電堆電路的一階、二階和三階 AC 增益響應，用于我目前討論的不同濾波方案。
圖 6：帶有 LM7705 負電荷泵和輸出濾波的 OPA387 熱電堆應用
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結論
具有不同輸出電壓范圍或串聯 Rtp 的熱電堆可能需要不同的運算放大器增益或替代濾波方案來優化其性能。通過最大化來自探測器的信號量，您可以降低電路的增益（從而降低總輸出噪聲），從而提高熱電堆應用的分辨率。
零漂移斬波放大器通常在熱電堆應用中更受歡迎，因為它們的失調、失調漂移非常低并且沒有 1/f 噪聲。選擇放大器時，重要的是要選擇寬帶噪聲頻譜密度低于熱電堆 Rtp 熱噪聲的放大器。由于運算放大器的寬帶噪聲與其 I Q成反比，因此微功率放大器的噪聲高于熱電堆應用通常所需的噪聲。因此，具有更高 I Q和更低噪聲密度的高速放大器（例如 OPA387）通常會在熱電堆應用中提供更好的性能。
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