零漂移運(yùn)算放大器在工業(yè)信號(hào)調(diào)節(jié)中的應(yīng)用

隨著工業(yè)系統(tǒng)越來越多地從機(jī)械控制轉(zhuǎn)向電子控制，制造商看到了產(chǎn)品質(zhì)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(huán)境中給工人提供了更大的保護(hù)。然而，正是這些惡劣的環(huán)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(hào)調(diào)節(jié)對于保持電路的穩(wěn)定性和靈敏度至關(guān)重要，而這正是工業(yè)機(jī)械在運(yùn)行壽命期內(nèi)實(shí)現(xiàn)可靠、精確和準(zhǔn)確的控制所需要的。 信號(hào)調(diào)節(jié)鏈中的一個(gè)關(guān)鍵元件是運(yùn)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(hào)。標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)算放大器容易受到溫度漂移的影響，而且精度和準(zhǔn)確性有限;因此，為了滿足工業(yè)要求，設(shè)計(jì)人員會(huì)增加某種形式的系統(tǒng)級(jí)自動(dòng)校準(zhǔn)功能。問題是，這個(gè)校準(zhǔn)功能實(shí)現(xiàn)起來可能很復(fù)雜，而且會(huì)增加功耗。此外，它還需要更多的電路板空間，并會(huì)增加成本和設(shè)計(jì)時(shí)間。 本文將回顧工業(yè)應(yīng)用中的信號(hào)調(diào)節(jié)要求以及設(shè)計(jì)人員需要關(guān)注的問題。接下來，將介紹ON Semiconductor的高性能零漂移運(yùn)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(yè)信號(hào)調(diào)節(jié)要求。同時(shí)還將探討這些器件的其他相關(guān)特征，如高共模抑制比 (CMRR)、高電源抑制比(PSRR) 和高開環(huán)增益。

工業(yè)信號(hào)調(diào)節(jié)應(yīng)用

工業(yè)系統(tǒng)中經(jīng)常使用到低壓側(cè)電流傳感和傳感器接口。由于與這些電路相關(guān)的差分信號(hào)非常小，因此設(shè)計(jì)人員需要高精度的運(yùn)算放大器。 圖1為用于檢測過流情況的低壓側(cè)電流傳感電路，該電路常用于反饋控制。圖中一個(gè)低阻值檢測電阻器(<100毫歐 (mΩ))與對地負(fù)載串聯(lián)。該電阻器的低阻值可以減少功率損耗和發(fā)熱，但也會(huì)相應(yīng)導(dǎo)致小壓降。精密零漂移運(yùn)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(shè)定(其中R1=R2、R3=R4)。高精度需要精密電阻器，設(shè)置增益是為了利用模數(shù)轉(zhuǎn)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(yùn)算放大器接口的低壓側(cè)電流傳感電路。(圖片來源：ON Semiconductor)

工業(yè)和儀表系統(tǒng)中用于測量應(yīng)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(dāng)小，必須在進(jìn)入ADC之前進(jìn)行放大。由于精密零漂移運(yùn)算放大器具有高增益、低噪聲和低失調(diào)電壓，因此常被用于這些應(yīng)用。

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

精密運(yùn)算放大器的關(guān)鍵參數(shù)

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

表1：影響精度和準(zhǔn)確性的精密運(yùn)算放大器關(guān)鍵參數(shù)。(圖片來源：ON Semiconductor)

輸入失調(diào)電壓(用VOS或VIO表示，具體取決于制造商)源自半導(dǎo)體制造工藝的不完善，導(dǎo)致在VIN+和VIN-之間出現(xiàn)一個(gè)差分電壓。這是零件間的差異，會(huì)隨溫度漂移，并且可能為正值或負(fù)值，因此很難校準(zhǔn)。設(shè)計(jì)人員為減少標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器的偏差或漂移所做的努力不僅增加了復(fù)雜性，而且在某些情況下會(huì)導(dǎo)致功耗增加。 例如，考慮使用采用差動(dòng)放大器配置的運(yùn)算放大器進(jìn)行電流傳感(圖3)。

圖3：使用采用差動(dòng)放大器配置的運(yùn)算放大器進(jìn)行電流傳感。低失調(diào)電壓至關(guān)重要，因?yàn)檩斎胧д{(diào)電壓會(huì)被噪聲增益放大，在輸出端產(chǎn)生失調(diào)誤差(表示為“VOS導(dǎo)致的誤差”)。(圖片來源：ON Semiconductor)

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

公式1

作為內(nèi)部運(yùn)算放大器參數(shù)，輸入失調(diào)電壓乘以噪聲增益而不是信號(hào)增益，從而產(chǎn)生輸出失調(diào)誤差(圖2中的“VOS導(dǎo)致的誤差”)。精密運(yùn)算放大器利用各種技術(shù)盡可能地降低失調(diào)電壓。在零漂移運(yùn)算放大器中，這尤其適用于低頻和直流信號(hào)。與通用運(yùn)算放大器相比，精密零漂移運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓可以低兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上(表2)。

表2：對比選定通用運(yùn)算放大器和斬波穩(wěn)定零漂移運(yùn)算放大器的最大失調(diào)電壓，精密零漂移運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓可以低兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。(圖片來源：ON Semiconductor)

零漂移運(yùn)算放大器

憑借其改進(jìn)的性能，設(shè)計(jì)人員可以使用零漂移運(yùn)算放大器滿足工業(yè)應(yīng)用的信號(hào)調(diào)節(jié)要求。ON Semiconductor的NCS325SN2T1G和NCS333ASN2T1G是兩個(gè)具有不同性能水平的零漂移運(yùn)算放大器實(shí)例。設(shè)計(jì)人員可將NCS325SN2T1G器件用于精密應(yīng)用，優(yōu)勢在于其50微伏 (μV) 的失調(diào)和0.25μV/°C的漂移，而NCS333ASN2T1G系列則適用于最苛刻的高精度應(yīng)用，可提供10μV的失調(diào)和僅0.07μV/°C的漂移。這兩個(gè)運(yùn)算放大器采用不同的內(nèi)部架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了零漂移。 NCS333ASN2T1G 采用斬波穩(wěn)定架構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是最大限度地減少了失調(diào)電壓隨溫度和時(shí)間的漂移(圖4)。與傳統(tǒng)斬波架構(gòu)不同，該斬波穩(wěn)定化架構(gòu)有兩條信號(hào)路徑。

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

在圖4中，下方信號(hào)路徑是斬波器對輸入失調(diào)電壓進(jìn)行采樣之處，隨后會(huì)用于校正輸出端的失調(diào)。失調(diào)校正出現(xiàn)在125千赫茲 (kHz) 頻率。斬波穩(wěn)定架構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化，可在頻率達(dá)到相關(guān)奈奎斯特頻率(失調(diào)校正頻率的1/2)時(shí)獲得最佳性能。由于信號(hào)頻率超過了62.5kHz的奈奎斯特頻率，因此在輸出端可能會(huì)出現(xiàn)混疊現(xiàn)象。這是所有斬波和斬波穩(wěn)定架構(gòu)的固有限制。

盡管如此，NCS333ASN2T1G運(yùn)算放大器在125千赫以內(nèi)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(gè)級(jí)聯(lián)、對稱的電阻-電容 (RC) 陷波濾波器，調(diào)諧至斬波頻率及其五次諧波頻率，以減少混疊效應(yīng)。

自動(dòng)歸零架構(gòu)

零漂移運(yùn)算放大器的另一種實(shí)現(xiàn)方法是采用自動(dòng)歸零架構(gòu)(圖5)。自動(dòng)歸零設(shè)計(jì)有一個(gè)主放大器和一個(gè)歸零放大器。它還使用了時(shí)鐘系統(tǒng)。在第一階段，開關(guān)電容將前一階段的失調(diào)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(diào)來修正主放大器的失調(diào)。ON Semiconductor的NCS325SN2T1G采用了自動(dòng)歸零架構(gòu)。

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

NCS333ASN2T1G(斬波穩(wěn)定架構(gòu))和NCS325SN2T1G(自動(dòng)歸零架構(gòu))除了在失調(diào)電壓和漂移方面有上述差異外，不同的架構(gòu)還產(chǎn)生了開環(huán)電壓增益、噪聲性能和混疊敏感度的差異。NCS333ASN2T1G的開環(huán)電壓增益為145分貝 (dB)，而NCS325SN2T1G的開環(huán)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(jià)都很好，但NCS333ASN2T1G的表現(xiàn)要優(yōu)于NCS325SN2T1G。 NCS333ASN2T1G系列運(yùn)算放大器也具有最小的混疊。這是因?yàn)镺N Semiconductor的專利方法使用了兩個(gè)級(jí)聯(lián)、對稱的RC陷波濾波器，調(diào)諧至斬波頻率及其五次諧波頻率，減少了混疊效應(yīng)。理論上，自動(dòng)歸零架構(gòu)會(huì)比斬波穩(wěn)定型表現(xiàn)出更大的混疊程度。但是混疊效應(yīng)會(huì)有很大的不同，且不一定會(huì)被指明。設(shè)計(jì)者要了解所使用具體運(yùn)算放大器的混疊特征。混疊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(tài)運(yùn)行。 最后，運(yùn)算放大器還具有不同程度的EMI敏感度。半導(dǎo)體結(jié)可以接收并整流EMI信號(hào)，在輸出端產(chǎn)生EMI引起的電壓失調(diào)，為總誤差增加了另一個(gè)分量。輸入引腳對EMI最敏感。高精度NCS333ASN2T1G運(yùn)算放大器集成了低通濾波器，降低了對EMI的敏感性。

設(shè)計(jì)和布局注意事項(xiàng)

為了確保實(shí)現(xiàn)最佳的運(yùn)算放大器性能，設(shè)計(jì)者必須遵循良好的電路板設(shè)計(jì)慣例。高精度運(yùn)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(jìn)行分流連接時(shí)，電路板上的印制線要等長、等尺寸，且要盡量短。運(yùn)算放大器和分流電阻器應(yīng)在電路板的同一側(cè)，對于要求最高精度級(jí)別的應(yīng)用，應(yīng)使用四端子分流器，也稱開爾文分流器。綜合使用這些技術(shù)將降低EMI 的敏感度。 連接時(shí)一定要按照分流器制造商的建議進(jìn)行。連接不當(dāng)會(huì)給測量增加不必要的雜散引線阻抗和感應(yīng)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(huì)受到輸入引腳上與溫度有關(guān)的失調(diào)電壓差異的影響。為了將這些差異降到最低，設(shè)計(jì)人員應(yīng)使用熱電系數(shù)低的金屬，并防止熱源或冷卻風(fēng)扇出現(xiàn)溫度梯度。

結(jié)語

在各種工業(yè)應(yīng)用中，對精密、準(zhǔn)確的信號(hào)調(diào)節(jié)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(yùn)算放大器是信號(hào)調(diào)節(jié)中的關(guān)鍵元件，但設(shè)計(jì)人員需要增加自動(dòng)校準(zhǔn)和其他機(jī)制，以確保系統(tǒng)時(shí)間和溫度穩(wěn)定性，因此增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性、成本和額外的功耗。 幸運(yùn)的是，設(shè)計(jì)人員可以轉(zhuǎn)而使用高性能零漂移運(yùn)算放大器，這些器件具有連續(xù)的自動(dòng)校準(zhǔn)功能、極低的失調(diào)電壓以及近零的時(shí)間和溫度漂移。此外，它們在寬動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)功耗低，結(jié)構(gòu)緊湊，并且具有所有工業(yè)應(yīng)用都需要的高CMRR、高PSRR和高開環(huán)增益關(guān)鍵特征。

原文標(biāo)題：難搞的工業(yè)信號(hào)調(diào)節(jié)，零漂移運(yùn)算放大器是如何搞定的?

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審核編輯：湯梓紅