使用 pA 級偏置電流放大器和高源阻抗傳感器時，如何避免放大器輸出驅(qū)動器飽和
為什么需要低偏置電流放大器
進(jìn)行傳感器測量時，所用傳感器激勵的類型差別很大，可能是 DC 信號、AC 信號、電壓源、電流源或脈沖源等等，不一而足。使用電流源激勵或使用高阻抗傳感器時，放大器的偏置電流常常是一個重要規(guī)格，因為在偏置電流流經(jīng)外部電阻時，會產(chǎn)生不想要的電壓誤差項。由于這個原因，在很多這類應(yīng)用中，常常需要低偏置電流放大器。
圖 1 顯示了這一點，圖中用 500MHz、毫微微安培偏置電流、FET 輸入放大器 LTC6268 將光電流轉(zhuǎn)換成電壓測量值。理想情況下，光電二極管的電流 (IPD) 等于反饋電流 (IFB)，IBIAS = 0。事實上，零偏置電流放大器是不現(xiàn)實的。不過，LTC6268 的 ±3fA 典型偏置電流和 ±4pA 過熱偏置電流為寬帶、低偏置電流放大器樹立了標(biāo)準(zhǔn)。
圖1：光電二極管信號調(diào)理應(yīng)用中的 IBIAS 誤差
輸出飽和
需要低偏置電流放大器的傳感器包括光電二極管、加速度計、化學(xué)傳感器、壓電或壓阻式壓力傳感器以及水聽器。使用低偏置電流放大器和高阻抗傳感器時，如果放大器的輸入過驅(qū)動，可能導(dǎo)致偏置電流增大，這會引起問題。偏置電流增大后，放大器可能會“卡住”，輸入信號不再能拉低輸出信號，無法糾正這種情況。圖 2 中的 LTC6091 緩沖器電路就是一個很容易發(fā)生這種情況的例子。LTC6091 是一款雙輸出、140V 高精確度放大器，具僅為 50pA 偏置電流 (在 25°C 時的最大值)、軌至軌輸出擺幅和僅 50µV 的輸入失調(diào)電壓。其共模范圍限制為與電源軌相差 3V。為了理解所發(fā)生的情況，我們先來看看放大器的輸入級，如圖 3 所示。
圖 2：LTC6091：飽和輸出有可能導(dǎo)致違反輸入共模規(guī)格
圖 3： 50pA IBIAS 放大器 LTC6091 的輸入級
放大器輸入級架構(gòu)
輸入級由 +INA 和 –INA 組成，這是放大器第一級 N-MOSFET 差分對的柵極。輸入過驅(qū)動導(dǎo)致輸出飽和時，就需要偏置電流通過輸入保護網(wǎng)絡(luò)去充分拉低輸入，這樣該器件就能夠脫離飽和狀態(tài)。不過，高源阻抗起初無法提供很大的偏置電流，一旦輸入過驅(qū)動、輸出飽和， –INA 輸入就可能被拉高，超出共模電壓范圍。在這種情況下，差分對可能斷路，導(dǎo)致不確定的輸出狀態(tài)。如果這種不確定狀態(tài)導(dǎo)致輸出維持飽和，那么就需要更大的偏置電流來恢復(fù)正常運行。
解決方案
圖 4 顯示了一款簡便的解決方案，用 3 個放大器的配置在儀表放大器電路中解決這個問題。LTC6090 是雙路放大器 LTC6091 的單路放大器版本，LT5400-2 是 4 個匹配電阻器組成的網(wǎng)絡(luò)，在 ±75V 范圍內(nèi)運行，采用 4 個 100kΩ 電阻器，電阻器匹配度好于 0.01%。
圖 4：10kΩ 電阻器防止放大器輸出飽和
在輸出端上增設(shè)了兩個 10kΩ 電阻器以限制最壞情況輸出擺幅，并防止反饋電壓總是超過放大器的輸入共模范圍。實證檢驗表明：當(dāng)源電阻高于 20MΩ 時，如果 +INA 輸入將被“卡住”，則可能沒有足夠的偏置電流以將其“解放”。通過采用較低的源電阻，在一個針對必須克服的保護器件漏電流的過驅(qū)動過程之后，可以把 +INA 輸入拉低 (即：高阻抗輸入電源保持控制)。
ADI 提供具各種性能規(guī)格和電源電壓要求的多種低偏置電流放大器。這些器件可幫助客戶以最佳性能水平實現(xiàn)傳感器設(shè)計。
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