1 简介
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，以便最大限度减小误差。可能会用到这类传感器的 应用 示例包括 气体检测仪 、 血液气体分析仪 和 空气质量探测器 。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将会是 30mV。使用 组件选择 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。
2 设计目标
2.1输入
|----------------|------------|
| 输入 | ADC输入 |
| VinMin = 0.03V | IN1 = 0.14 |
| VinMax = 1.07V | IN1 = 4.88 |
| VinMin = 0V | IN2 = 0V |
| VinMax = 1V | IN2 = 1V |
2.2 电源
3 规格
|-------|------|-------|------|
| 规格 | 计算值 | 仿真值 | 测得值 |
| ibias | 20fA | 118fA | 20fA |
- 使用 COG (NPO) 型 C3 和 C6 电容器
- 每个 IC 都应拥有一个 0.1μF 的旁路电容器
- PCB 布局非常重要
4 设计计算
- pH 传感器的输出电压会随温度变化而变化。其在 0°C 下的输出为 54.2mV/pH，在 25°C 下的输出为59.16mV/pH，在 100°C 下的输出为 74.04mV/pH。这意味着，100°C 时 pH 传感器在其偏置点两边的最大摆幅为 ±518.3mV。LMP7721 的最大输出应限制在 ±2.4V 范围内，以便能够留出一定的余量。这会将LMP7721 的增益设置为：
则取R2=3.57k,R1=1k
- 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 R3 = 13.7kΩ 和 R4 = 1.69kΩ 电阻器会将 U1 的输入设置为：
U1 的增益为 1V/V，因此 pH 传感器的偏置电压也会是 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 的输入高于接地。LMP7721 的输出将会集中在：0.549V · 4.6V/V = 2.52V而且，其输出可以从该中心点上下摆动 ±2.4V。
- 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
- 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需要是该值的 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
- 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
5 电路仿真
时域仿真：
