ZHCSF25 May 2016 TLV521
PRODUCTION DATA.
8 应用 和实施
NOTE
以下 应用 部分的信息不属于 TI 组件规范，TI 不担保其准确性和完整性。客户应负责确定 TI 组件是否适用于其应用。客户应验证并测试其设计是否能够实现，以确保系统功能。
8.1 应用信息
TLV521 的额定工作电压范围是 1.7V 至 5.5V（±0.85V 至 ±2.275V）。TLV521 具有 轨至轨输入和轨至轨输出摆幅，而消耗的功率仅为纳瓦级。典型特性部分提供的参数可能会随工作电压或温度的不同而出现显著变化。
8.1.1 驱动电容负载
TLV521 可在内部得到补偿以实现稳定的单位增益运算（具有 6kHz 典型增益带宽）。但是，单位增益跟随器是对电容负载最敏感的配置。放置在放大器输出端的电容负载与放大器的输出抗阻相结合，可导致相位滞后，从而减小放大器的相补角。如果相补角明显减小，则响应将欠阻尼，这可导致传输中出现峰值；如果峰值过多，则运算放大器可能会开始振荡。
Figure 30. 电容负载的电阻式隔离
为了驱动大型电容负载，应该使用隔离电阻器 RISO，如Figure 30 所示。通过使用此隔离电阻器，电容负载可与放大器的输出隔离。RISO 的值越大，放大器越稳定。如果 RISO 的值足够大，则反馈环路将保持稳定，不受 CL 值的影响。但是，RISO 值增大会导致输出摆幅减小、输出电流驱动降低。
下表列出的是 5V 电源下建议的最小 RISO 值。Figure 31 显示的是在 CL = 50pF 且 RISO = 154kΩ 时得到的典型响应。我们选择了表中的其他 RISO 值，以便在其各自的电容负载上获取相似阻尼。请注意，对于具有较大 CL 的 TLV521，使用较小的 RISO 即可实现稳定性。但是，针对指定的 CL，RISO 值越大，提供的阻尼响应越高。当电容负载为 20pF 或更小时，无需隔离电阻器。
Table 1. 电容负载与所需的隔离电阻器间的关系
| 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. 阶跃响应
8.1.2 EMI 抑制
蜂窝、蓝牙和 Wi-Fi 信号几乎无处不在，而且采用无线电的传感系统也发展迅速，因此电磁干扰 (EMI) 成为今后设计精密信号路径时的重要考虑因素。尽管射频信号位于运算放大器带的外部，但射频载波开关可调节运算放大器的直流失调电压。而且，一些常见的射频调制方案可感应降压转换组件。增加的直流失调电压和感应的信号会同目标信号一起放大，因此会影响测量值。TLV521 使用片上滤波器来抑制输入端和电源引脚上这些无用的射频信号；从而保持精密信号路径的完整性。
双绞线电缆和有源前端的共模抑制可提供针对低频噪声（例如 60Hz 或 50Hz 电源）的抗扰性，但对射频干扰无效。即使靠近放大器的传感器的 PCB 迹线和布线只有几厘米，也可接收很强的 1GHz 射频。TLV521 的集成式 EMI 滤波器可降低或消除外部屏蔽和滤波需求，从而提高系统可靠性。EMIRR 越大，对射频干扰的抑制越强。有关 EMIRR 的更多信息，请参阅 AN-1698。
8.2 典型 应用
8.2.1 60Hz 双 T 型陷波滤波器
Figure 32. 60Hz 陷波滤波器
8.2.1.1 设计要求
来自遥感和分布式传感 应用 的传感器的小信号通常会遇到交流电源线的 60Hz 的强烈干扰。Figure 32 中电路的陷波为 60Hz 并为 1kHz 正弦波代表的传感器信号提供增益 AV = 2。相似级别可能会级联在一起，以移除 60Hz 的 2 次和 3 次谐波。由于 TLV521 功耗仅为 nA 级，即使是 5 个这种电路也可依靠 CR2032 小型锂电池运行 9.5 年。这些电池的额定电压为 3V，寿命末期的电压为 2V。TLV521 的工作电压范围为 1.7V 至 5.5V，因此可在此电压范围内正常工作。
8.2.1.2 详细设计流程
陷波频率已设置为 F0 = 1/2πRC。要实现 60Hz 的陷波，请使用 R = 10MΩ 且 C = 270pF。若要消除 50Hz 的噪声（这在欧洲系统中很常见），请使用 R = 11.8MΩ 且 C = 270pF。
双 T 型陷波滤波器的工作原理是设置两条从 VIN 到放大器输入的独立路径。分别为通过电阻器 R - R 的低频路径和通过电容器 C - C 的独立高频路径。但是，在接近陷波频率的频率下，这两条路径具有相反的相间角，而且这两个信号将会在放大器的输入端抵消。
要确保获得目标中心频率以及最大程度地增加陷波深度（Q 系数），滤波器需要尽可能保持平衡。要实现电路平衡，同时克服可用标准电阻器和电容值的限制，请并行使用无源器件，以使接地的滤波器组件达到 2C 和 R/2 的电路要求。
要确保无源组件值保持符合预期，请使用酒精清洁电路板、使用去离子水冲洗并风干。请确保电路板处于湿度相对较低的环境中，以尽可能减少水分，因为水分可能会提高电路板组件的导电性。此外，大电阻器具有相当高的寄生杂散电容，切掉相关组件下面的接地平面可削弱其影响。
大电阻器用于反馈网络中，可最大程度地避免电池电量耗尽。设计大电阻器时，必须在电路噪声分析部分考虑电阻器热噪声、运算放大器电流噪声以及运算放大器电压噪声。可通过 5kHz 的带宽完成 Figure 32 中电路的噪声分析，此举采取了高估带宽的保守方法（TLV521 的典型 GBW/AV 较低）。输出端的总噪声约为 800µVpp，鉴于电路总功耗只有 540nA，这一表现已经极为优异。主要噪声项有运算放大器电压噪声 (550µVpp)、通过反馈网络的电流噪声 (430µVpp) 和通过陷波滤波器网络的电流噪声 (280µVpp)。因此，基准电压为 2V 时，总电路的噪声不超过 10 位系统的 LSB 的一半（即 1mV）。
8.2.1.3 应用曲线
Figure 33. 60Hz 陷波滤波器波形
8.2.2 便携式气体检测传感器
Figure 34. 精密氧传感器
8.2.2.1 设计要求
气体传感器被用于许多不同的工业和医疗 应用。它们生成与空气样本中感应的特定气体百分比成比例的电流。这种电流会流经负载电阻器，然后，系统会测量产生的压降。TLV521 非常适合这类应用，因为它只消耗 350nA 的电流并在低至 1.7V 的电源电压下工作。根据感应的气体和传感器的灵敏度，输出电流范围约为几十微安至几毫安。气体传感器产品说明书通常会指定推荐的负载电阻值，或者推荐一系列负载电阻器供用户选择。
当需要监测空气质量或提供给患者的氧气时，会使用氧传感器。新鲜空气中的氧气含量为 20.9%。空气样本中的氧气含量低于 18% 即视为危险。此应用可检测空气中的氧气。氧传感器还用于环境中肯定缺少氧气的工业 应用 。其中一个例子便是真空包装食物。氧传感器主要分为两类：一类是感应空气中或氧气罐附近等位置大量存在的氧气的传感器，另一类是检测痕量氧气的传感器（以 ppm 表示）。
8.2.2.2 详细设计流程
Figure 34 显示的是用于放大氧检测器输出的典型电路。氧传感器通过负载电阻器输出已知电流。此值会随着空气样本中氧气含量的变化而变化。氧传感器通常具有推荐的特定负载电阻值或提供了一系列此负载电阻器可接受的值。使用纳瓦级功率 TLV521 可最大限度降低运算放大器的功耗，而且可延长电池寿命。使用Figure 34 中显示的组件，电路可消耗不到 0.5µA 的电流，从而确保即使额定容量较低，紧凑型便携式电子产品中使用的电池也能超过氧传感器的使用寿命。TLV521 的精度规格是助力其成为此类应用的完美之选的另外一个原因，包括其极低的失调电压、低 TCVOS、低输入偏置电流、高 CMRR 以及高 PSRR 等。
8.2.2.3 应用曲线
Figure 35. 计算出的氧传感器电路输出（单个 5V 电源）
8.2.3 高侧电池电流感应
Figure 36. 高侧电流感应
8.2.3.1 设计要求
轨至轨共模输入范围和极低静态电流使 TLV521 成为高侧和低侧电池电流感应 应用的绝佳选择。Figure 36 中的高侧电流感应电路通常用于电池充电器，以监测充电电流，从而防止过充。该设计以与电池串联的方式连接感应电阻器 RSENSE。
8.2.3.2 详细设计流程
电路的理论输出电压为：VOUT = [ RSENSE × R3)/R1 ] × ICHARGE。不过实际上，因为晶体管的电流增益 β 有限，所以流经 R3 的电流将不会是 ICHARGE，而是 α × ICHARGE 或 β/( β+1) × ICHARGE。达林顿对可用于提高测量电路的 β 值和性能。
使用Figure 36 中显示的组件会导致 VOUT ≈ 4000Ω × ICHARGE。这非常适合将 1mA 的 ICHARGE 放大到接近 ADC 的满标量程（当 VREF 为 4.1V 时）。电阻器 R2 可用于放大器的同相输入端，与 R1 的值相同，可最大程度地减少失调电压。
按Figure 36 选择值会将流经电路的 R1 – Q1 – R3 桥臂的电流限制在 1µA 以下，这与 TLV521 电源电流的流经顺序相同。增加电阻器 R1 、R2 和 R3 的值会减小测量电路电源电流并延长电池寿命。
降低 RSENSE 会最大程度地减少电阻容差导致的误差，但是这还会降低 VSENSE = ICHARGE × RSENSE，而放大器失调电压反过来会对电路总误差造成更大影响。使用Figure 36 中显示的组件，测量电路电源电流可保持在 1.5µA 以下并且测量范围在 100µA 至 1mA 之间。
8.2.3.3 应用曲线
Figure 37. 计算出的高侧电流感应电路输出