ICL7650—CMOS斩波集成运放简介及应用(1)，斩波

ICL7650 CMOS 斩波集成运放简介及应用

摘　要:介绍了ICL7650 CMOS 斩波集成运算放大结构和性能,输入级使用MOS 场效应管,采用斩波自动稳零结构,附带调制和解调等措施,具有输入偏置电流小,低失调电压和温度漂移以及精密的反馈特性和高的共模抑制比能力。并采用该器件实现了一个积分电路,该电路零位可以调整,抑制干扰,降低噪声,是很好的传感器信号预处理电路。

关键词: ICL7650 ;运算放大器;积分电路;MOS 场效应管

1 引　言

集成电路是在半导体制造工艺的基础上实现元件、电路和系统三结合的一种半导体器件。随着制造工艺的进步,电路性能设计的完善,集成电路正以无可比拟的优异性深入到各个领域。一般,集成运放是具有高放大倍数的直接耦合电路,这样就不可避免地存在着失调和漂移等问题,长期以来人们一直致力于上述问题的解决。一般集成运放具有mV 级的失调电压和每度数微伏的温度漂移,因而将集成运放直接用于0～10 mV 的低电平放大是十分困难的。然而在工业自动化控制、过程控制、多路选择巡扦等很重要的应用场合,运放被用于放大来自传感器、变送器等所谓“一次仪表”的信号,这些信号的特点往往是具有低电平的性质,对外界一些干扰信号极为敏感,这就要求用作前置放大器的集成运放具有高的输入阻抗,低的输出阻抗,低失调电压和温度漂移以及精密的反馈特性和高的共模抑制比能力[1 ] 。否则造成的漂移问题将使系统无法正常工作,ICL7650 正是为适应上述要求而研制成功的。

2 ICL7650 性能介绍

ICL7650 的制造工艺采用大规模集成电路机制,输入级使用MOS 场效应管,输入电阻达100 MΩ 以上,将场效应管和双极型管兼容在一个硅片上,并且还附带调制和解调等措施,采用斩波自动稳零结构,使失调电压和温度漂移进一步下降,应用时一般无需调零即可使用,极为方便。图1 为ICL7650 的原理方框图及管脚排列。

图1 ICL7650 的原理方框图及管脚排列

由图1 可以看出,ICL7650 的整个电路由下列几个部分构成:

(1) 内部时钟发生器用以控制图中电子开关SA 和SB 的通断。当14 脚(内/ 外端) 置“1”或置空时,工作在内时钟状态;若置“0”时,则工作在外时钟方式下,外时钟从13 脚(外部时钟输入端) 加入。

(2) 主放大器A1 用以放大输入信号并经他输出,N1端为他的第3 个同相输入端。

(3) 调零放大器A2 用以降低A1 直流失调的放大器,他不对外输出信号,仅是作为一种辅助放大器使用,N2 为他的一个反相输入端。

(4) 箝位输出电路用以防止因过载而出现的放大器阻塞。

(5) 内调制补偿用以改善电路的频率特性。

(6) 模拟开关完成电路动态校零工作过程的切换,靠时钟控制下的模拟开关来转换。电路的整个工作在时钟控制下分2 个工作阶段进行,放大器误差检测与寄存;校零和放大,使稳态实现低失调与低温漂。

总的来说,ICL7650 有如下几个特点:

(1) 极低的输入失调电压:整个工作温度范围(约100 ℃) 内只有±1μV ;

(2) 失调电压的温漂和长时间漂移极低:分别为0. 01 μV/ ℃和100 nV / Month ;

|<12>>

ICL7650 CMOS 斩波集成运放简介及应用

摘　要:介绍了ICL7650 CMOS 斩波集成运算放大结构和性能,输入级使用MOS 场效应管,采用斩波自动稳零结构,附带调制和解调等措施,具有输入偏置电流小,低失调电压和温度漂移以及精密的反馈特性和高的共模抑制比能力。并采用该器件实现了一个积分电路,该电路零位可以调整,抑制干扰,降低噪声,是很好的传感器信号预处理电路。

关键词: ICL7650 ;运算放大器;积分电路;MOS 场效应管

1 引　言

集成电路是在半导体制造工艺的基础上实现元件、电路和系统三结合的一种半导体器件。随着制造工艺的进步,电路性能设计的完善,集成电路正以无可比拟的优异性深入到各个领域。一般,集成运放是具有高放大倍数的直接耦合电路,这样就不可避免地存在着失调和漂移等问题,长期以来人们一直致力于上述问题的解决。一般集成运放具有mV 级的失调电压和每度数微伏的温度漂移,因而将集成运放直接用于0～10 mV 的低电平放大是十分困难的。然而在工业自动化控制、过程控制、多路选择巡扦等很重要的应用场合,运放被用于放大来自传感器、变送器等所谓“一次仪表”的信号,这些信号的特点往往是具有低电平的性质,对外界一些干扰信号极为敏感,这就要求用作前置放大器的集成运放具有高的输入阻抗,低的输出阻抗,低失调电压和温度漂移以及精密的反馈特性和高的共模抑制比能力[1 ] 。否则造成的漂移问题将使系统无法正常工作,ICL7650 正是为适应上述要求而研制成功的。

2 ICL7650 性能介绍

ICL7650 的制造工艺采用大规模集成电路机制,输入级使用MOS 场效应管,输入电阻达100 MΩ 以上,将场效应管和双极型管兼容在一个硅片上,并且还附带调制和解调等措施,采用斩波自动稳零结构,使失调电压和温度漂移进一步下降,应用时一般无需调零即可使用,极为方便。图1 为ICL7650 的原理方框图及管脚排列。

图1 ICL7650 的原理方框图及管脚排列

由图1 可以看出,ICL7650 的整个电路由下列几个部分构成:

(1) 内部时钟发生器用以控制图中电子开关SA 和SB 的通断。当14 脚(内/ 外端) 置“1”或置空时,工作在内时钟状态;若置“0”时,则工作在外时钟方式下,外时钟从13 脚(外部时钟输入端) 加入。

(2) 主放大器A1 用以放大输入信号并经他输出,N1端为他的第3 个同相输入端。

(3) 调零放大器A2 用以降低A1 直流失调的放大器,他不对外输出信号,仅是作为一种辅助放大器使用,N2 为他的一个反相输入端。

(4) 箝位输出电路用以防止因过载而出现的放大器阻塞。

(5) 内调制补偿用以改善电路的频率特性。

(6) 模拟开关完成电路动态校零工作过程的切换,靠时钟控制下的模拟开关来转换。电路的整个工作在时钟控制下分2 个工作阶段进行,放大器误差检测与寄存;校零和放大,使稳态实现低失调与低温漂。

总的来说,ICL7650 有如下几个特点:

(1) 极低的输入失调电压:整个工作温度范围(约100 ℃) 内只有±1μV ;

(2) 失调电压的温漂和长时间漂移极低:分别为0. 01 μV/ ℃和100 nV / Month ;

|<12>>

(3) 很低的输入偏置电流: 10 pA ;

(4) 极高的开环增益,CMRR ,PSRR 均≥130 dB ;

(5) 较高的转换速率: SR = 2. 5 V/μs ;

(6) 单位增益带宽可达2 MHz ;

(7) 单位增益达标时具有内部补偿;

(8) 具有内调制补偿电路,相位裕度≥80°;

(9) 内部有箝位电路,能减少过载时的恢复时间;

(10) 在输入端、输出端只有极微小的斩波尖峰泄漏。

3 积分器设计

用ICL7650 设计的积分电路如图2 所示。ICL7650作为高精度、低漂移放大器,其输入一般只有几百微伏甚至几十微伏电压就能正常工作。从传感器过来的电压数量级为最小mV , 在前置电路中可直接对信号进行积分处理。其中记忆电容C2 和C3 直接影响到运放自动稳零的精度,必须选用高阻抗、瓷介质、聚本乙烯材料的优质电容,其值可取C1 = C2 = 011μF。由传感器输入的信号极为微弱,必须充分顾虑到抗干扰问题,可对输入端进行屏蔽保护。

图2 由ICL7650 组成的积分器

在输入端如果存在输入失调电压,则在积分电容的作用下,将会一直到积分输出饱和,使系统无法工作。为此,在输入端加了失调电压调零电路R3 , R4 和R5 , R6 ,如图2 中ICL7650 管脚5 端所示。电路中电阻R4 起隔离作用, R4m R5+ R6 。调节过程中可随时按积分清零按钮T,随时调节可变电阻R3 ,直至输出为0(静态时) 或围绕某一值在允许范围内上下波动。积分电容C1 在积分器中起着举足轻重的作用。为了能及时跟踪信号的变化,积分时间常数不能太大,根据实验调整,可选择其值为0. 1μF ,输入电阻R1 = 100 kΩ,时间常数> 0. 01 s。积分器输出带负载能力不是很强,为了使其负担不至于过重,在后面加接一级放大器,可将其增益设计为10 左右,可选R9 = 100 kΩ, R8 = R10 = 10 kΩ,集成运放采用OP07 单运放器件。经第二级电路输出的信号可到A/ D 转换电路或经输出后供记录仪记录。在ICL7650 的接线图中,输出箝位引脚9 对输出箝位,可防止因过载带来的阻塞,减小恢复时间。

4 结　语

ICL7650 CMOS 斩波集成运放输入级使用MOS 场效应管,采用斩波自动稳零结构,附带有调制和解调等措施,具有输入偏置电流小,低失调电压和温度漂移以及精密的反馈特性和高的共模抑制比能力。并用该器件实现的积分电路,电路零位可以调整,抑制干扰,降低噪声,是很好的传感器信号预处理电路。

参　考　文　献

[1 ] 陈杰,黄鸿. 传感器与检测技术[M]. 北京:高等教育出版社,2002.

[2 ] 康华光. 电子技术基础模拟部分[M]. 第4 版. 北京:高等教育出版社,2004.

|<<<12