零漂移運算放大器在工業信號調節中的應用

隨著工業系統越來越多地從機械控制轉向電子控制，制造商看到了產品質量和工人安全性的提升。之所以如此，主要原因是后者在惡劣環境中給工人提供了更大的保護。然而，正是這些惡劣的環境、極端的溫度以及電氣噪聲和電磁干擾 (EMI)，使得良好的信號調節對于保持電路的穩定性和靈敏度至關重要，而這正是工業機械在運行壽命期內實現可靠、精確和準確的控制所需要的。 信號調節鏈中的一個關鍵元件是運算放大器，它是一種高增益的直流差分放大器，用于采集和放大所需的信號。標準的運算放大器容易受到溫度漂移的影響，而且精度和準確性有限;因此，為了滿足工業要求，設計人員會增加某種形式的系統級自動校準功能。問題是，這個校準功能實現起來可能很復雜，而且會增加功耗。此外，它還需要更多的電路板空間，并會增加成本和設計時間。 本文將回顧工業應用中的信號調節要求以及設計人員需要關注的問題。接下來，將介紹ON Semiconductor的高性能零漂移運算放大器解決方案，并說明為什么以及如何將其用于滿足工業信號調節要求。同時還將探討這些器件的其他相關特征，如高共模抑制比 (CMRR)、高電源抑制比(PSRR) 和高開環增益。

工業信號調節應用

工業系統中經常使用到低壓側電流傳感和傳感器接口。由于與這些電路相關的差分信號非常小，因此設計人員需要高精度的運算放大器。 圖1為用于檢測過流情況的低壓側電流傳感電路，該電路常用于反饋控制。圖中一個低阻值檢測電阻器(<100毫歐 (mΩ))與對地負載串聯。該電阻器的低阻值可以減少功率損耗和發熱，但也會相應導致小壓降。精密零漂移運算放大器可以用來放大檢測電阻上的壓降，增益由外部電阻R1、R2、R3和R4設定(其中R1=R2、R3=R4)。高精度需要精密電阻器，設置增益是為了利用模數轉換器(ADC) 的滿量程以獲得最高的分辨率。

圖1：展示檢測電阻和ADC間運算放大器接口的低壓側電流傳感電路。(圖片來源：ON Semiconductor)

工業和儀表系統中用于測量應變、壓力和溫度的傳感器通常配置為惠斯通電橋配置(圖2)。提供測量的傳感器電壓變化可能相當小，必須在進入ADC之前進行放大。由于精密零漂移運算放大器具有高增益、低噪聲和低失調電壓，因此常被用于這些應用。

圖2：精密運算放大器通常與惠斯通電橋一起使用，用以放大來自應變、壓力和溫度傳感器的信號，然后再將該信號發送到ADC。(圖片來源：ON Semiconductor)

精密運算放大器的關鍵參數

失調電壓、失調電壓漂移、對噪聲的敏感度和開環電壓增益是限制運算放大器在電流傳感和傳感器接口應用中性能的關鍵參數(表1)。

表1：影響精度和準確性的精密運算放大器關鍵參數。(圖片來源：ON Semiconductor)

輸入失調電壓(用VOS或VIO表示，具體取決于制造商)源自半導體制造工藝的不完善，導致在VIN+和VIN-之間出現一個差分電壓。這是零件間的差異，會隨溫度漂移，并且可能為正值或負值，因此很難校準。設計人員為減少標準運算放大器的偏差或漂移所做的努力不僅增加了復雜性，而且在某些情況下會導致功耗增加。 例如，考慮使用采用差動放大器配置的運算放大器進行電流傳感(圖3)。

圖3：使用采用差動放大器配置的運算放大器進行電流傳感。低失調電壓至關重要，因為輸入失調電壓會被噪聲增益放大，在輸出端產生失調誤差(表示為“VOS導致的誤差”)。(圖片來源：ON Semiconductor)

輸出電壓為信號增益項 (VSENSE) 與噪聲增益項 (VOS) 之和，如公式1所示。

公式1

作為內部運算放大器參數，輸入失調電壓乘以噪聲增益而不是信號增益，從而產生輸出失調誤差(圖2中的“VOS導致的誤差”)。精密運算放大器利用各種技術盡可能地降低失調電壓。在零漂移運算放大器中，這尤其適用于低頻和直流信號。與通用運算放大器相比，精密零漂移運算放大器的失調電壓可以低兩個數量級以上(表2)。

表2：對比選定通用運算放大器和斬波穩定零漂移運算放大器的最大失調電壓，精密零漂移運算放大器的失調電壓可以低兩個數量級以上。(圖片來源：ON Semiconductor)

零漂移運算放大器

憑借其改進的性能，設計人員可以使用零漂移運算放大器滿足工業應用的信號調節要求。ON Semiconductor的NCS325SN2T1G和NCS333ASN2T1G是兩個具有不同性能水平的零漂移運算放大器實例。設計人員可將NCS325SN2T1G器件用于精密應用，優勢在于其50微伏 (μV) 的失調和0.25μV/°C的漂移，而NCS333ASN2T1G系列則適用于最苛刻的高精度應用，可提供10μV的失調和僅0.07μV/°C的漂移。這兩個運算放大器采用不同的內部架構實現了零漂移。 NCS333ASN2T1G 采用斬波穩定架構，其優點是最大限度地減少了失調電壓隨溫度和時間的漂移(圖4)。與傳統斬波架構不同，該斬波穩定化架構有兩條信號路徑。

圖4：NCS333ASN2T1G有兩條信號路徑：第二條路徑(下方)對輸入失調電壓進行采樣，用于校正輸出端的失調。(圖片來源：ON Semiconductor)

在圖4中，下方信號路徑是斬波器對輸入失調電壓進行采樣之處，隨后會用于校正輸出端的失調。失調校正出現在125千赫茲 (kHz) 頻率。斬波穩定架構經過優化，可在頻率達到相關奈奎斯特頻率(失調校正頻率的1/2)時獲得最佳性能。由于信號頻率超過了62.5kHz的奈奎斯特頻率，因此在輸出端可能會出現混疊現象。這是所有斬波和斬波穩定架構的固有限制。

盡管如此，NCS333ASN2T1G運算放大器在125千赫以內仍具有最小的混疊，且到190千赫前仍保持低混疊。ON Semiconductor的專利方法使用了兩個級聯、對稱的電阻-電容 (RC) 陷波濾波器，調諧至斬波頻率及其五次諧波頻率，以減少混疊效應。

自動歸零架構

零漂移運算放大器的另一種實現方法是采用自動歸零架構(圖5)。自動歸零設計有一個主放大器和一個歸零放大器。它還使用了時鐘系統。在第一階段，開關電容將前一階段的失調誤差保持在歸零放大器輸出上。在第二階段，利用歸零放大器輸出的失調來修正主放大器的失調。ON Semiconductor的NCS325SN2T1G采用了自動歸零架構。

圖5：像NCS325SN2T1G這樣帶有開關電容的自動歸零運算放大器的簡化框圖。(圖片來源：ON Semiconductor)

NCS333ASN2T1G(斬波穩定架構)和NCS325SN2T1G(自動歸零架構)除了在失調電壓和漂移方面有上述差異外，不同的架構還產生了開環電壓增益、噪聲性能和混疊敏感度的差異。NCS333ASN2T1G的開環電壓增益為145分貝 (dB)，而NCS325SN2T1G的開環電壓增益為114dB?？紤]噪聲，NCS333ASN2T1G的CMRR為111dB，PSRR為130dB，而NCS325SN2T1G的CMRR為108dB，PSRR為107dB。兩者評價都很好，但NCS333ASN2T1G的表現要優于NCS325SN2T1G。 NCS333ASN2T1G系列運算放大器也具有最小的混疊。這是因為ON Semiconductor的專利方法使用了兩個級聯、對稱的RC陷波濾波器，調諧至斬波頻率及其五次諧波頻率，減少了混疊效應。理論上，自動歸零架構會比斬波穩定型表現出更大的混疊程度。但是混疊效應會有很大的不同，且不一定會被指明。設計者要了解所使用具體運算放大器的混疊特征?；殳B不是采樣放大器的缺陷，而是一種行為。了解這種行為以及如何避免這種行為可以讓零漂移放大器以最佳狀態運行。 最后，運算放大器還具有不同程度的EMI敏感度。半導體結可以接收并整流EMI信號，在輸出端產生EMI引起的電壓失調，為總誤差增加了另一個分量。輸入引腳對EMI最敏感。高精度NCS333ASN2T1G運算放大器集成了低通濾波器，降低了對EMI的敏感性。

設計和布局注意事項

為了確保實現最佳的運算放大器性能，設計者必須遵循良好的電路板設計慣例。高精度運算放大器是敏感器件。例如，將0.1微法拉 (μF) 的去耦電容盡可能靠近電源引腳放置就很重要。另外，在進行分流連接時，電路板上的印制線要等長、等尺寸，且要盡量短。運算放大器和分流電阻器應在電路板的同一側，對于要求最高精度級別的應用，應使用四端子分流器，也稱開爾文分流器。綜合使用這些技術將降低EMI 的敏感度。 連接時一定要按照分流器制造商的建議進行。連接不當會給測量增加不必要的雜散引線阻抗和感應阻抗，并增加誤差(圖6)。

圖6：描繪雜散電阻的兩端子分流電阻器(RLead和RSense)連接。(圖片來源：ON Semiconductor)

精度可能會受到輸入引腳上與溫度有關的失調電壓差異的影響。為了將這些差異降到最低，設計人員應使用熱電系數低的金屬，并防止熱源或冷卻風扇出現溫度梯度。

結語

在各種工業應用中，對精密、準確的信號調節的需求不斷增加。伴隨著這種需求增加的是對低功耗、緊湊型解決方案的需求。運算放大器是信號調節中的關鍵元件，但設計人員需要增加自動校準和其他機制，以確保系統時間和溫度穩定性，因此增加了系統的復雜性、成本和額外的功耗。 幸運的是，設計人員可以轉而使用高性能零漂移運算放大器，這些器件具有連續的自動校準功能、極低的失調電壓以及近零的時間和溫度漂移。此外，它們在寬動態范圍內功耗低，結構緊湊，并且具有所有工業應用都需要的高CMRR、高PSRR和高開環增益關鍵特征。

原文標題：難搞的工業信號調節，零漂移運算放大器是如何搞定的?

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審核編輯：湯梓紅