如何在热电堆应用中实现微电压级精度

热电堆是有用的非接触式传感器，不仅可以测量温度，还可以检测特定气体。由于热电堆可能具有相对较高的串联阻抗，因此它们对电路设计人员提出了许多挑战，他们试图在宽温度范围内获得绝对精度，同时满足所需的最低分辨率。

热电堆的低输出电压（从数百微伏到几毫伏）需要高增益配置，这使得低失调和温度漂移非常重要。这需要高精度运算放大器 (op amps) 具有低或无 1/f 噪声、低输入偏置电流 (IB) 和随时间推移非常低的偏移偏移 - 例如零漂移放大器。

在本文中，我将描述将零漂移放大器连接到此类传感器的最佳实践，包括如何降低输出噪声以提高分辨率，并解释为什么某些电路需要匹配输入阻抗。这是讨论如何使用基于 TI 最新专有互补金属氧化物半导体精密工艺技术构建的运算放大器提高系统精度和效率的四部分系列文章的第三部分。

由于大多数热电堆应用需要从几赫兹到 300 Hz 的低频响应，因此很容易使用微功耗低增益带宽 (350 kHz) 零漂移运算放大器，例如OPA333。然而，由于放大器的宽带噪声与其静态电流 (I Q )成反比，因此像 OPA333 这样的微功率器件自然具有比其更高带宽（更高 I Q）替代品更高的噪声频谱密度，这从根本上限制了其分辨率热电堆应用。

图 1 是这样一种热电堆检测器的示例，该检测器使用 G = 1,001 的 OPA333，热电堆电压 (Vtp) 为 100µV。在本应用中，705µVrms 总输出电压噪声可预见地由 OPA333 的 55nV/√Hz 宽带噪声频谱密度支配，而不是由内部 10kΩ 热电堆电阻 (Rtp) 的热噪声支配，并导致最小信噪比 (SNR) 仅为 43 dB，20×log(100 mV/705 µV)。此外，为了将 OPA333 的输出电压保持在其线性范围内（如数据表中在开环增益条件下定义的那样），单电源应用可能需要至少 100mV 的参考电压 (Vref)。

图 1：G = 1,001 的热电堆应用中的 OPA333

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对于大多数热电堆应用，最好选择运算放大器，以使 Rtp 的热噪声（而不是运算放大器的输入宽带噪声）主导总噪声。一个这样的零漂移运算放大器是 OPA189，它具有 5.2 nV/√Hz 的低宽带噪声，远低于 12.7 nV/√Hz、√(4kTR)、内部 10kΩ 热电堆电阻的热噪声 - 这导致总输入13.7 nV/√Hz 的噪声密度明显受 Rtp 热噪声支配。

图 2 显示了在双电源应用中使用 OPA189 的热电堆电路示意图。内部 10-kΩ 热电堆电阻和外部 100-nF 电容器 (Ctp) 形成一个低通噪声滤波器，其截止频率为 -3 dB：159.2Hz，fc=1/(2×π×10kΩ ×100nF) –该滤波器在高热电堆 Rtp 的情况下尤为重要，其中 Ctp 可用于优化传感器噪声性能及其响应时间。

在图 2 中，OPA189 放大器的增益同样设置为 1,001，其 -3 dB 截止频率为 144.8 Hz，通过选择 RF||CF 反馈来设置：fc=1/(2×π×220kΩ×5nF) . 所有这些都导致输出总噪声大大提高，达到 165.6 uVrms。然而，OPA189 具有更高速度的内部偏移校正电路，其中输入端子之间的大阻抗失配导致 IB 斩波尖峰被转换为额外的电压偏移误差。这会引起 52uV 的输入失调，该失调会被放大到输出并导致较大的输出误差。

图 2：G = 1,001 的热电堆应用中的 OPA189

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在平衡输入阻抗的情况下，IB 斩波尖峰相互抵消。因此，可以通过在反相输入端增加一个 Rtp_match 10-kΩ 电阻来有效消除这种偏移误差。话虽如此，添加一个匹配电阻器自然会导致总输出电压噪声增加大约 √2 倍（达到 254.9 µVrms）。可能还需要 Cin_match 等于 OPA189 内部输入电容 (Cin_diff+Cin_cm)，以保持热电堆解决方案的良好稳定性，如图 3 所示。

图 3：具有匹配输入阻抗的热电堆应用中的 OPA189

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因此，为了获得热电堆应用的最佳解决方案，请考虑使用低噪声斩波放大器，例如 OPA387，它不仅具有极低的最大输入电压偏移和偏移漂移（分别为 1 µV 和 0.012 µV/C）但在 100 Hz 时的典型电压噪声频谱密度为 8.5 nV/√Hz，在 10 Hz 时电流噪声极低，仅为 70 fA/√Hz（在 10 kΩ 热电堆上仅贡献 0.7 nV/√Hz）。该运算放大器在输入阻抗不匹配时也更加宽容。因此，在现在熟悉的热电堆应用电路中使用 OPA387 可降低 (190.7 µVrms) 总输出噪声，并且（除了放大器固有的微小偏移）输出误差可忽略不计 - 请参见图 4。

图 4：G = 1,001 的热电堆应用中的 OPA387

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图 5 显示了 G = 1,001 的热电堆电路的完整实现，包括一个 Vref 缓冲器，可确保 OPA387 输出级在单电源上线性运行，以及一个具有截止频率的附加低通输出滤波器 (Ro||Co) 159.2赫兹。该滤波器进一步将总集成输出噪声降至 154 µVrms，从而使解决方案的整体分辨率更高；对于 100 µV 的 Vtp，最小输出 SNR 为 56 dB，对于 3.1 mV 的 Vtp，最大 SNR 为 86 dB。

图 5：具有参考电路和输出滤波的 OPA387 热电堆应用

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您还可以使用双电源或 LM7705 负电荷泵来驱动 OPA387 的负电源引脚，如图 6 所示。这种方法通过允许运算放大器输出到达系统地来消除对 Vref 电路的需求。图 6 右侧的图表显示了热电堆电路的一阶、二阶和三阶 AC 增益响应，用于我目前讨论的不同滤波方案。

图 6：带有 LM7705 负电荷泵和输出滤波的 OPA387 热电堆应用

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结论

具有不同输出电压范围或串联 Rtp 的热电堆可能需要不同的运算放大器增益或替代滤波方案来优化其性能。通过最大化来自探测器的信号量，您可以降低电路的增益（从而降低总输出噪声），从而提高热电堆应用的分辨率。

零漂移斩波放大器通常在热电堆应用中更受欢迎，因为它们的失调、失调漂移非常低并且没有 1/f 噪声。选择放大器时，重要的是要选择宽带噪声频谱密度低于热电堆 Rtp 热噪声的放大器。由于运算放大器的宽带噪声与其 I Q成反比，因此微功率放大器的噪声高于热电堆应用通常所需的噪声。因此，具有更高 I Q和更低噪声密度的高速放大器（例如 OPA387）通常会在热电堆应用中提供更好的性能。