ZHCSF25 May 2016 TLV521
PRODUCTION DATA.
- 1 特性
- 2 應(yīng)用
- 3 說明
- 4 修訂歷史記錄
- 5 引腳配置和功能
- 6 技術(shù)規(guī)格
- 7 詳細(xì) 說明
- 8 應(yīng)用 和實(shí)施
- 9 電源相關(guān)建議
- 10布局
- 11器件和文檔支持
- 12機(jī)械、封裝和可訂購信息
封裝選項(xiàng)
機(jī)械數(shù)據(jù) (封裝 | 引腳)
- DCK|5
散熱焊盤機(jī)械數(shù)據(jù) (封裝 | 引腳)
訂購信息
8 應(yīng)用 和實(shí)施
NOTE
以下 應(yīng)用 部分的信息不屬于 TI 組件規(guī)范，TI 不擔(dān)保其準(zhǔn)確性和完整性?？蛻魬?yīng)負(fù)責(zé)確定 TI 組件是否適用于其應(yīng)用?？蛻魬?yīng)驗(yàn)證并測試其設(shè)計(jì)是否能夠?qū)崿F(xiàn)，以確保系統(tǒng)功能。
8.1 應(yīng)用信息
TLV521 的額定工作電壓范圍是 1.7V 至 5.5V（±0.85V 至 ±2.275V）。TLV521 具有 軌至軌輸入和軌至軌輸出擺幅，而消耗的功率僅為納瓦級。典型特性部分提供的參數(shù)可能會隨工作電壓或溫度的不同而出現(xiàn)顯著變化。
8.1.1 驅(qū)動電容負(fù)載
TLV521 可在內(nèi)部得到補(bǔ)償以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單位增益運(yùn)算（具有 6kHz 典型增益帶寬）。但是，單位增益跟隨器是對電容負(fù)載最敏感的配置。放置在放大器輸出端的電容負(fù)載與放大器的輸出抗阻相結(jié)合，可導(dǎo)致相位滯后，從而減小放大器的相補(bǔ)角。如果相補(bǔ)角明顯減小，則響應(yīng)將欠阻尼，這可導(dǎo)致傳輸中出現(xiàn)峰值；如果峰值過多，則運(yùn)算放大器可能會開始振蕩。
Figure 30. 電容負(fù)載的電阻式隔離
為了驅(qū)動大型電容負(fù)載，應(yīng)該使用隔離電阻器 RISO，如Figure 30 所示。通過使用此隔離電阻器，電容負(fù)載可與放大器的輸出隔離。RISO 的值越大，放大器越穩(wěn)定。如果 RISO 的值足夠大，則反饋環(huán)路將保持穩(wěn)定，不受 CL 值的影響。但是，RISO 值增大會導(dǎo)致輸出擺幅減小、輸出電流驅(qū)動降低。
下表列出的是 5V 電源下建議的最小 RISO 值。Figure 31 顯示的是在 CL = 50pF 且 RISO = 154kΩ 時得到的典型響應(yīng)。我們選擇了表中的其他 RISO 值，以便在其各自的電容負(fù)載上獲取相似阻尼。請注意，對于具有較大 CL 的 TLV521，使用較小的 RISO 即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性。但是，針對指定的 CL，RISO 值越大，提供的阻尼響應(yīng)越高。當(dāng)電容負(fù)載為 20pF 或更小時，無需隔離電阻器。
Table 1. 電容負(fù)載與所需的隔離電阻器間的關(guān)系
| CL | RISO |
|---|---|
| 0 — 20pF | 不需要 |
| 50pF | 154kΩ |
| 100pF | 118kΩ |
| 500pF | 52.3kΩ |
| 1nF | 33.2kΩ |
| 5nF | 17.4kΩ |
| 10nF | 13.3kΩ |
Figure 31. 階躍響應(yīng)
8.1.2 EMI 抑制
蜂窩、藍(lán)牙和 Wi-Fi 信號幾乎無處不在，而且采用無線電的傳感系統(tǒng)也發(fā)展迅速，因此電磁干擾 (EMI) 成為今后設(shè)計(jì)精密信號路徑時的重要考慮因素。盡管射頻信號位于運(yùn)算放大器帶的外部，但射頻載波開關(guān)可調(diào)節(jié)運(yùn)算放大器的直流失調(diào)電壓。而且，一些常見的射頻調(diào)制方案可感應(yīng)降壓轉(zhuǎn)換組件。增加的直流失調(diào)電壓和感應(yīng)的信號會同目標(biāo)信號一起放大，因此會影響測量值。TLV521 使用片上濾波器來抑制輸入端和電源引腳上這些無用的射頻信號；從而保持精密信號路徑的完整性。
雙絞線電纜和有源前端的共模抑制可提供針對低頻噪聲（例如 60Hz 或 50Hz 電源）的抗擾性，但對射頻干擾無效。即使靠近放大器的傳感器的 PCB 跡線和布線只有幾厘米，也可接收很強(qiáng)的 1GHz 射頻。TLV521 的集成式 EMI 濾波器可降低或消除外部屏蔽和濾波需求，從而提高系統(tǒng)可靠性。EMIRR 越大，對射頻干擾的抑制越強(qiáng)。有關(guān) EMIRR 的更多信息，請參閱 AN-1698。
8.2 典型 應(yīng)用
8.2.1 60Hz 雙 T 型陷波濾波器
Figure 32. 60Hz 陷波濾波器
8.2.1.1 設(shè)計(jì)要求
來自遙感和分布式傳感 應(yīng)用 的傳感器的小信號通常會遇到交流電源線的 60Hz 的強(qiáng)烈干擾。Figure 32 中電路的陷波為 60Hz 并為 1kHz 正弦波代表的傳感器信號提供增益 AV = 2。相似級別可能會級聯(lián)在一起，以移除 60Hz 的 2 次和 3 次諧波。由于 TLV521 功耗僅為 nA 級，即使是 5 個這種電路也可依靠 CR2032 小型鋰電池運(yùn)行 9.5 年。這些電池的額定電壓為 3V，壽命末期的電壓為 2V。TLV521 的工作電壓范圍為 1.7V 至 5.5V，因此可在此電壓范圍內(nèi)正常工作。
8.2.1.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)流程
陷波頻率已設(shè)置為 F0 = 1/2πRC。要實(shí)現(xiàn) 60Hz 的陷波，請使用 R = 10MΩ 且 C = 270pF。若要消除 50Hz 的噪聲（這在歐洲系統(tǒng)中很常見），請使用 R = 11.8MΩ 且 C = 270pF。
雙 T 型陷波濾波器的工作原理是設(shè)置兩條從 VIN 到放大器輸入的獨(dú)立路徑。分別為通過電阻器 R - R 的低頻路徑和通過電容器 C - C 的獨(dú)立高頻路徑。但是，在接近陷波頻率的頻率下，這兩條路徑具有相反的相間角，而且這兩個信號將會在放大器的輸入端抵消。
要確保獲得目標(biāo)中心頻率以及最大程度地增加陷波深度（Q 系數(shù)），濾波器需要盡可能保持平衡。要實(shí)現(xiàn)電路平衡，同時克服可用標(biāo)準(zhǔn)電阻器和電容值的限制，請并行使用無源器件，以使接地的濾波器組件達(dá)到 2C 和 R/2 的電路要求。
要確保無源組件值保持符合預(yù)期，請使用酒精清潔電路板、使用去離子水沖洗并風(fēng)干。請確保電路板處于濕度相對較低的環(huán)境中，以盡可能減少水分，因?yàn)樗挚赡軙岣唠娐钒褰M件的導(dǎo)電性。此外，大電阻器具有相當(dāng)高的寄生雜散電容，切掉相關(guān)組件下面的接地平面可削弱其影響。
大電阻器用于反饋網(wǎng)絡(luò)中，可最大程度地避免電池電量耗盡。設(shè)計(jì)大電阻器時，必須在電路噪聲分析部分考慮電阻器熱噪聲、運(yùn)算放大器電流噪聲以及運(yùn)算放大器電壓噪聲?？赏ㄟ^ 5kHz 的帶寬完成 Figure 32 中電路的噪聲分析，此舉采取了高估帶寬的保守方法（TLV521 的典型 GBW/AV 較低）。輸出端的總噪聲約為 800µVpp，鑒于電路總功耗只有 540nA，這一表現(xiàn)已經(jīng)極為優(yōu)異。主要噪聲項(xiàng)有運(yùn)算放大器電壓噪聲 (550µVpp)、通過反饋網(wǎng)絡(luò)的電流噪聲 (430µVpp) 和通過陷波濾波器網(wǎng)絡(luò)的電流噪聲 (280µVpp)。因此，基準(zhǔn)電壓為 2V 時，總電路的噪聲不超過 10 位系統(tǒng)的 LSB 的一半（即 1mV）。
8.2.1.3 應(yīng)用曲線
Figure 33. 60Hz 陷波濾波器波形
8.2.2 便攜式氣體檢測傳感器
Figure 34. 精密氧傳感器
8.2.2.1 設(shè)計(jì)要求
氣體傳感器被用于許多不同的工業(yè)和醫(yī)療 應(yīng)用。它們生成與空氣樣本中感應(yīng)的特定氣體百分比成比例的電流。這種電流會流經(jīng)負(fù)載電阻器，然后，系統(tǒng)會測量產(chǎn)生的壓降。TLV521 非常適合這類應(yīng)用，因?yàn)樗幌?350nA 的電流并在低至 1.7V 的電源電壓下工作。根據(jù)感應(yīng)的氣體和傳感器的靈敏度，輸出電流范圍約為幾十微安至幾毫安。氣體傳感器產(chǎn)品說明書通常會指定推薦的負(fù)載電阻值，或者推薦一系列負(fù)載電阻器供用戶選擇。
當(dāng)需要監(jiān)測空氣質(zhì)量或提供給患者的氧氣時，會使用氧傳感器。新鮮空氣中的氧氣含量為 20.9%。空氣樣本中的氧氣含量低于 18% 即視為危險。此應(yīng)用可檢測空氣中的氧氣。氧傳感器還用于環(huán)境中肯定缺少氧氣的工業(yè) 應(yīng)用 。其中一個例子便是真空包裝食物。氧傳感器主要分為兩類：一類是感應(yīng)空氣中或氧氣罐附近等位置大量存在的氧氣的傳感器，另一類是檢測痕量氧氣的傳感器（以 ppm 表示）。
8.2.2.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)流程
Figure 34 顯示的是用于放大氧檢測器輸出的典型電路。氧傳感器通過負(fù)載電阻器輸出已知電流。此值會隨著空氣樣本中氧氣含量的變化而變化。氧傳感器通常具有推薦的特定負(fù)載電阻值或提供了一系列此負(fù)載電阻器可接受的值。使用納瓦級功率 TLV521 可最大限度降低運(yùn)算放大器的功耗，而且可延長電池壽命。使用Figure 34 中顯示的組件，電路可消耗不到 0.5µA 的電流，從而確保即使額定容量較低，緊湊型便攜式電子產(chǎn)品中使用的電池也能超過氧傳感器的使用壽命。TLV521 的精度規(guī)格是助力其成為此類應(yīng)用的完美之選的另外一個原因，包括其極低的失調(diào)電壓、低 TCVOS、低輸入偏置電流、高 CMRR 以及高 PSRR 等。
8.2.2.3 應(yīng)用曲線
Figure 35. 計(jì)算出的氧傳感器電路輸出（單個 5V 電源）
8.2.3 高側(cè)電池電流感應(yīng)
Figure 36. 高側(cè)電流感應(yīng)
8.2.3.1 設(shè)計(jì)要求
軌至軌共模輸入范圍和極低靜態(tài)電流使 TLV521 成為高側(cè)和低側(cè)電池電流感應(yīng) 應(yīng)用的絕佳選擇。Figure 36 中的高側(cè)電流感應(yīng)電路通常用于電池充電器，以監(jiān)測充電電流，從而防止過充。該設(shè)計(jì)以與電池串聯(lián)的方式連接感應(yīng)電阻器 RSENSE。
8.2.3.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)流程
電路的理論輸出電壓為：VOUT = [ RSENSE × R3)/R1 ] × ICHARGE。不過實(shí)際上，因?yàn)榫w管的電流增益 β 有限，所以流經(jīng) R3 的電流將不會是 ICHARGE，而是 α × ICHARGE 或 β/( β+1) × ICHARGE。達(dá)林頓對可用于提高測量電路的 β 值和性能。
使用Figure 36 中顯示的組件會導(dǎo)致 VOUT ≈ 4000Ω × ICHARGE。這非常適合將 1mA 的 ICHARGE 放大到接近 ADC 的滿標(biāo)量程（當(dāng) VREF 為 4.1V 時）。電阻器 R2 可用于放大器的同相輸入端，與 R1 的值相同，可最大程度地減少失調(diào)電壓。
按Figure 36 選擇值會將流經(jīng)電路的 R1 – Q1 – R3 橋臂的電流限制在 1µA 以下，這與 TLV521 電源電流的流經(jīng)順序相同。增加電阻器 R1 、R2 和 R3 的值會減小測量電路電源電流并延長電池壽命。
降低 RSENSE 會最大程度地減少電阻容差導(dǎo)致的誤差，但是這還會降低 VSENSE = ICHARGE × RSENSE，而放大器失調(diào)電壓反過來會對電路總誤差造成更大影響。使用Figure 36 中顯示的組件，測量電路電源電流可保持在 1.5µA 以下并且測量范圍在 100µA 至 1mA 之間。
8.2.3.3 應(yīng)用曲線
Figure 37. 計(jì)算出的高側(cè)電流感應(yīng)電路輸出