零点漂移对放大器工作有何影响-（零漂对放大器的输出有何影响-）

随着工业系统越来越多地从机械控制转向电子控制，制造商看到产品质量和工人安全的改善。主要原因是后者在恶劣的环境下给工人提供了更大的保护。然而，正是这些恶劣的环境、极端的温度以及电噪声和电磁干扰(EMI) 使得良好的信号调理对于在工业机械的整个使用寿命期间保持电路稳定性和灵敏度至关重要。需要可靠、精确和准确的控制。

信号调理链中的关键元件是运算放大器，它是一种高增益直流差分放大器，用于采集和放大所需信号。标准运算放大器容易受到温度漂移的影响，并且精度和准确度有限；因此，为了满足行业要求，设计人员添加了某种形式的系统级自动校准。问题在于该校准功能实施起来很复杂并且增加了功耗。此外，它需要更多的电路板空间并增加成本和设计时间。

本文将回顾工业应用中的信号调理要求以及设计人员需要注意的问题。接下来，介绍安森美半导体的高性能零漂移运算放大器解决方案，以及为什么以及如何使用它们来满足工业信号调理要求。还将讨论这些器件的其他相关特性，例如高共模抑制比(CMRR)、高电源抑制比(PSRR) 和高开环增益。

工业信号调节应用

工业系统中经常使用低压侧电流传感和传感器接口。由于与这些电路相关的差分信号非常小，因此设计人员需要高精度运算放大器。

图1 显示了用于检测过流情况的低侧电流检测电路。该电路常用于反馈控制。该图显示了与负载接地串联的低值检测电阻器(100 毫欧(m))。电阻器的低电阻减少了功率损耗和发热，但也导致了相应较小的电压降。精密零漂移运算放大器可用于放大检测电阻器上的压降，增益由外部电阻器R1、R2、R3 和R4 设置（其中R1=R2、R3=R4）。高精度需要精密电阻，并且增益设置为利用模数转换器(ADC) 的满量程以获得最大分辨率。

图1：低侧电流检测电路，显示检测电阻器和ADC 之间的运算放大器接口。 （图片来源：安森美半导体）

工业和仪器仪表系统中用于测量应变、压力和温度的传感器通常采用惠斯通电桥配置（图2）。提供测量结果的传感器电压变化可能非常小，并且必须在进入ADC 之前进行放大。精密零漂移运算放大器因其高增益、低噪声和低失调电压而常用于这些应用。

图2：精密运算放大器通常与惠斯通电桥一起使用，在将信号发送到ADC 之前放大来自应变、压力和温度传感器的信号。 （图片来源：安森美半导体）

精密运算放大器的关键参数

失调电压、失调电压漂移、噪声敏感性和开环电压增益是限制电流检测和传感器接口应用中运算放大器性能的关键参数（表1）。

表1：影响精度和准确度的精密运算放大器的关键参数。 （图片来源：安森美半导体）

输入失调电压（表示为VOS 或VIO，具体取决于制造商）是由半导体制造工艺中的缺陷造成的，导致VIN+ 和VIN- 之间产生电压差。这是一种随温度漂移的部件间变化，可以是正值，也可以是负值，因此难以校准。设计人员为减少标准运算放大器中的偏置或漂移所做的努力不仅增加了复杂性，而且在某些情况下还会导致功耗增加。

例如，考虑在差分放大器配置中使用运算放大器进行电流检测（图3）。

图3：在差分放大器配置中使用运算放大器进行电流检测。低失调电压至关重要，因为输入失调电压会被噪声增益放大，从而在输出端产生失调误差（表示为“VOS 引起的误差”）。 （图片来源：安森美半导体）

输出电压是信号增益项(VSENSE) 和噪声增益项(VOS) 之和，如公式1 所示。

公式1

作为内部运算放大器参数，输入失调电压乘以噪声增益而不是信号增益，从而产生输出失调误差（图2 中的“VOS 引起的误差”）。精密运算放大器利用各种技术来尽可能降低失调电压。在零漂移运算放大器中，对于低频和直流信号尤其如此。精密零漂移运算放大器的失调电压可比通用运算放大器低两个数量级以上（表2）。

表2：比较所选通用运算放大器和斩波稳定零漂移运算放大器的最大失调电压，精密零漂移运算放大器的失调电压可低两个数量级以上。 （图片来源：安森美半导体）

零漂移运算放大器

凭借其改进的性能，设计人员可以使用零漂移运算放大器来满足工业应用的信号调理要求。 ON Semiconductor 的NCS325SN2T1G 和NCS333ASN2T1G 是具有不同性能级别的零漂移运算放大器的两个示例。设计人员可以将NCS325SN2T1G 器件用于精密应用，受益于其50 微伏(V) 偏移和0.25 V/C 漂移，而NCS333ASN2T1G 系列提供10 V 偏移，适合最苛刻的高精度应用。漂移仅为0.07 V/C。这两个运算放大器使用不同的内部架构来实现零漂移。

NCS333ASN2T1G 采用斩波稳定架构，其优点是最大限度地减少失调电压随温度和时间的漂移（图4）。与传统斩波器架构不同，这种斩波稳定架构有两个信号路径。

图4：NCS333ASN2T1G 有两条信号路径：第二条路径（下方）对输入失调电压进行采样，并用于校正输出处的失调。 （图片来源：安森美半导体）

在图4 中，下部信号路径是斩波器对输入失调电压进行采样的地方，然后使用该电压来校正输出处的失调。偏移校正发生在125 kHz。斩波稳定架构经过优化，可在高达相关奈奎斯特频率（偏移校正频率的1/2）的频率下实现最佳性能。由于信号频率超过62.5 kHz 的奈奎斯特频率，因此输出可能会出现混叠。这是所有斩波器和斩波稳定架构的固有限制。

尽管如此，NCS333ASN2T1G 运算放大器在高达125 kHz 的频率下仍具有最小混叠，并在高达190 kHz 的频率下保持低混叠。安森美半导体的专利方法使用两个级联、对称电阻电容(RC) 陷波滤波器，调谐到斩波频率及其五次谐波频率，以减少混叠效应。

自动归零架构

实现零漂移运算放大器的另一种方法是使用自动调零架构（图5）。自动调零设计具有主放大器和调零放大器。它还使用时钟系统。在第一级中，开关电容器将来自前一级的失调误差保持在调零放大器输出处。在第二级中，调零放大器输出的偏移用于校正主放大器的偏移。 ON Semiconductor 的NCS325SN2T1G 采用自动归零架构。

图5：带有开关电容器（例如NCS325SN2T1G）的自动调零运算放大器的简化框图。 （图片来源：安森美半导体）

除了上述NCS333ASN2T1G（斩波稳定架构）和NCS325SN2T1G（自动调零架构）之间在失调电压和漂移方面的差异外，不同架构还产生开环电压增益、噪声性能和混叠方面的差异。灵敏度。 NCS333ASN2T1G 的开环电压增益为145 分贝(dB)，而NCS325SN2T1G 的开环电压增益为114 dB。考虑到噪声，NCS333ASN2T1G 的CMRR 为111 dB，PSRR 为130 dB，而NCS325SN2T1G 的CMRR 为108 dB，PSRR 为107 dB。两者都获得了好评，但NCS333ASN2T1G 的性能优于NCS325SN2T1G。

NCS333ASN2T1G 系列运算放大器还具有最小混叠特性。这是因为安森美半导体的专利方法使用两个级联、对称的RC 陷波滤波器，调谐到斩波频率及其五次谐波频率，从而减少混叠效应。理论上，自动归零架构将比斩波稳定版本表现出更大的混叠。但混叠效应可能差异很大，并且不一定指定。设计人员需要了解所使用的特定运算放大器的混叠特性。混叠不是采样放大器的缺陷，而是一种行为。了解这种行为以及如何避免它可以使零漂移放大器实现最佳运行。

最后，运算放大器还具有不同程度的EMI 敏感性。半导体结可以接收并校正EMI 信号，在输出端产生EMI 感应电压偏移，从而在总误差中添加另一个分量。输入引脚对EMI 最敏感。高精度NCS333ASN2T1G 运算放大器集成了低通滤波器，以降低对EMI 的敏感性。

设计和布局注意事项

为了确保最佳的运算放大器性能，设计人员必须遵循良好的电路板设计实践。高精度运算放大器是敏感器件。例如，将0.1 微法拉(F) 去耦电容器尽可能靠近电源引脚放置非常重要。另外，在进行分流连接时，电路板上的印制线应长度和尺寸相等，并且应尽可能短。运算放大器和分流电阻器应位于电路板的同一侧，对于需要最高精确度的应用，应使用四端子分流器（也称为开尔文分流器）。这些技术的结合使用将降低EMI 敏感性。

连接时请务必遵循分流器制造商的建议。不正确的连接可能会给测量带来不必要的杂散引线和感性阻抗，并增加误差（图6）。

图6：描述杂散电阻的两端分流电阻器（RLead 和RSense）连接。 （图片来源：安森美半导体）

精度可能会受到输入引脚上与温度相关的失调电压差的影响。为了最大限度地减少这些差异，设计人员应使用热电系数低的金属，并防止热源或冷却风扇产生温度梯度。

结语

各种工业应用对精密信号调节的需求持续增长。伴随着这种增长的需求，需要低功耗、紧凑的解决方案。运算放大器是信号调理中的关键组件，但设计人员需要添加自动校准和其他机制，以确保系统随时间和温度变化的稳定性，从而增加系统复杂性、成本和额外功耗。

幸运的是，设计人员可以转向高性能零漂移运算放大器，它具有连续自动校准、极低的失调电压以及接近零的时间和温度漂移。此外，它们在宽动态范围内功耗低、结构紧凑，并具有所有工业应用所需的高CMRR、高PSRR 和高开环增益的关键特性。

审稿人：付干江