设计说明

本设计展示了如何使用低 Ibias 放大器来驱动 SAR ADC。具有高输出阻抗的传感器需要具有低输入偏置电流的放大器，以便更大限度减小误差。可使用此类传感器的应用示例包括气体检测仪、血液气体分析仪 和空气质量检测仪。在本设计中，所使用的传感器为 pH 探针。pH 探针的输出阻抗可达 10MΩ 至 1000MΩ。如果将输出阻抗为 10MΩ 的 pH 探针与具有 3nA 输入偏置电流的运算放大器搭配使用，则由于该运算放大器的输入偏置电流导致的误差为 30mV。使用元件选择 部分中所述的输入信号幅度和增益时，30mV 相当于大约 2.9% 的误差。如果使用的是输入偏置电流为 3fA 的运算放大器，那么误差会降低至 30nV。

pH 传感器的输出不会快速改变，因此设计中可使用速度较慢的 ADC。来自 pH 传感器的值会随温度变化而变化，所以设计中选用了双通道 ADC，以便使用其中一个通道来监控温度。本设计中所使用的 ADC122S021 是一款双通道 12 位 ADC，其采样速率最高可达 200ksps。

规格

设计说明

1. 使用 COG (NPO) 型 C3 和 C6 电容器。
2. 每个 IC 都需要拥有一个 0.1μF 的旁路电容器。
3. PCB 布局非常重要。请参阅 LMP7721 多功能评估板用户指南。
4. PCB 必须清洁干净。请参阅 LMP7721 多功能评估板用户指南。
5. 如需了解有关低漏电设计的更多信息，请参阅设计具有低漏电流的飞安级电路。

元件选型

1. pH 传感器的输出电压会随温度变化而变化。在 0°C 下，输出电压输出 54.2mV/pH；在 25°C 下，输出电压输出 59.16mV/pH；在 100°C 下，输出电压输出 74.04mV/pH。这意味着，100°C 下 pH 传感器在其偏置点周围的最大摆幅为 ±518.3mV。LMP7721 的最大输出需要限制为 ±2.4V 以留出余量。这会将 LMP7721 的增益设置为：
   2.4V / 0.5183V = 4.6V/V
   通过设置电阻器 R2 = 3.57kΩ 和 R1 = 1kΩ，来设置此增益。
2. 由于 LMP7721 的输入必须在 0V 到 5V 范围内，因此需将 pH 传感器偏置至接地电平之上。分压器配置中的电阻器 R3 = 13.7kΩ 和 R4 = 1.69kΩ 将 U1 的输入设置为
   5V · 1.69kΩ / (1.69kΩ + 13.7kΩ) = 549mV
   U1 的增益为 1V/V，因此 pH 传感器的偏置电压也是 549mV。由于 pH 传感器可以从偏置点向下摆动 –518.3mV，因此这可以确保 LMP7721 的输入高于地。LMP7721 的输出集中在：
   0.549V · 4.6V/V = 2.52V
   并且在中心点上下摆动 ±2.4V。
3. U5 用于设置防护环的电压，它的增益被设置为 1V/V，输入则是 LMP7721 的 –IN 引脚上的信号。
4. LMP7721 的输出与 ADC122S021 SAR ADC 的某个输入相连。ADC 的采样电容器为 33pF，放置在 ADC 引脚旁边的外部电容器必须是该值的 10 倍，即 330pF。设计中以串连方式添加了一个 20Ω 的小型电阻器，以便将该电容器与 LMP7721 隔开。
5. 由于 pH 传感器的输出会随温度变化而变化，所以将温度传感器 LM35 连接到了 ADC122S021 的通道 2。该温度传感器的输出上使用了一个 330pF 的电容器以及一个 20Ω 的串连电阻器。

直流传输特性

下图展示了 LMP7721 的 pH 传感器输入、防护电压和 LMP7721 输出。这些数据都是在 100°C 情况下测得的，此时 pH 传感器具有最大的输出摆幅。

布局

PCB 布局对于低 Ibias 电路而言至关重要。当两条布线之间存在电压电势时，布线之间会发生电流泄漏。这便是配置防护迹线的原因。我们将防护迹线的电压设置为接近输入电压，以更大限度地减少 LMP7721 输入与外界之间的漏电。LMP7721 有两个未使用的引脚（引脚 2 和引脚 7），它们可用于简化防护迹线的布局。

下图展示了一个示例布局。pH 传感器的输出与 LMP7721 的 +IN 输入借助该防护迹线（其电压接近输入电压）与电路的其他部分隔开。这会更大限度地减少 LMP7721 输入上的电流泄漏。pH 传感器的偏置在防护迹线之外。偏置点与电路其他部分之间的电流泄漏并不重要。阻焊层不得覆盖防护布线内的区域。如果电路板的底部有接地平面或其他内部平面，则这些平面中处于保护区下方的区域需为保留区。

设计中采用的器件

设计参考资料

有关 TI 综合电路库的信息，请参阅模拟工程师电路手册。