随着工业系统越来越多地从机械控制转向电子控制，制造商已经看到了产品质量和工人安全的改善。这样做的主要原因是后者为恶劣环境中的工人提供了更大的保护。然而，正是这些恶劣环境、极端温度、电噪声和电磁干扰(EMI)使得良好的信号调理对于保持电路的稳定性和灵敏度至关重要，而这正是工业机械在其工作寿命期间实现可靠、准确和精确控制所需要的。信号调理链中的关键器件之一是运算放大器，它是一种高增益DC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，其精度和准确度受到限制。因此，为了满足工业要求，设计人员会添加某种形式的系统级自动校准功能。问题是这种校准功能实现起来可能很复杂，并且会增加功耗。此外，它需要更多的电路板空间，并将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。然后，在半导体将介绍的高性能零漂移运算放大器解决方案，并解释为何以及如何利用它来满足工业信号调理的要求。还将讨论这些器件的其他相关特性，如高CMRR、高PSRR和高开环增益。
工业信号调理应用
工业中经常使用电流检测和低压侧传感器接口。由于与这些电路相关的差分信号非常小，设计人员需要高精度运算放大器。图1是用于检测过电流的低压侧电流感测电路，其通常用于反馈控制。在图中，低电阻检测电阻(100 m)与接地负载串联。电阻器的低电阻可以减少功率损耗和热量产生，但也会导致小的电压降。精密零漂移运算放大器可用于放大检测电阻上的压降，增益由外部电阻R1、R2、R3和R4(其中R1=R2、R3=R4)设置。高精度需要精密电阻，增益设置为利用模数转换器(ADC)的满量程来获得最高分辨率。
工业仪器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)。测得的传感器电压变化可能非常小，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。
精密运算放大器的关键参数
失调电压、失调电压漂移、噪声灵敏度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)。
输入失调电压(表示为VOS或VIO，取决于制造商)来自半导体制造工艺的不完善，导致VIN和VIN-之间产生差分电压。这是器件之间的差异，会随温度漂移，可能是正的也可能是负的，所以很难校准。设计者为减少标准运算放大器的偏差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导致了功耗的增加。例如，考虑使用具有差分放大器配置的运算放大器进行电流检测(图3)。
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。
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，从而导致输出失调误差VOS造成的错误在图2中)。精密运算放大器使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，这尤其适用于低频和DC信号。与通用运算放大器相比，精密零漂移运算放大器的失调电压可以低两个数量级以上(表2)。
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。论半导体 NCS325SN2T1G和NCS333ASN2T1G是具有不同性能水平的零漂移运算放大器的两个例子。设计人员可以将NCS325SN2T1G器件用于精密应用，该器件具有50微伏(V)失调和0.25V/C漂移的优势，而NCS333ASN2T1G系列适合要求最苛刻的高精度应用，可提供10 V失调和仅0.07V/C漂移。两个运算放大器采用不同的内部架构来实现零漂移。NCS333ASN2T1G采用斩波稳定架构，其优势在于最大限度地降低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，这种斩波器稳定架构有两条信号路径。
在图4中，较低的信号路径是斩波器对输入失调电压进行采样的地方，该电压将用于校正输出端的失调。失调发生在125 kHz的频率。当频率达到相关奈奎斯特频率(失调校正频率的1/2)时，斩波稳定架构经过优化，可实现最佳性能。由于信号频率超过62.5 kHz的奈奎斯特频率，输出端可能会出现混叠。这是所有斩波器和斩波器稳定架构的固有限制。尽管如此，NCS333ASN2T1G运算放大器在125 kHz以内仍然具有最小的混叠，直到190 kHz仍然保持低混叠。论半导体的专利方法使用两个级联的对称阻容(RC)陷波滤波器，调谐至斩波频率及其五次谐波频率，以降低混叠效应。
自动调零架构
实现零漂移运算放大器的另一种方法是采用自稳零架构(图5)。自动归零设计有一个主放大器和一个归零放大器。它还使用时钟系统。在第一级中，开关电容将前一级的失调误差保持在归零放大器的输出端。在第二阶段，归零放大器的失调用于校正主放大器的失调。论半导体 NCS325SN2T1G采用自动归零架构。
除了上述失调电压和漂移方面的差异，NCS333ASN2T1G(斩波稳定架构)和NCS325SN2T1G(自稳零架构)具有不同的开环电压增益、噪声性能和混叠灵敏度。NCS333ASN2T1G的开环电压增益为145 dB，而NCS325SN2T1G的开环电压增益为114 dB。考虑到噪声，NCS333ASN2T1G的CMRR和PSRR分别为111 dB和130 dB，NCS325SN2T1G的CMRR和PSRR分别为108 dB和107 dB。两个评价都很好，但是NCS333ASN2T1G的性能比NCS325SN2T1G好。NCS333ASN2T1G系列运算放大器也具有最小的混叠。这是因为在半导体的专利方法使用两个级联的对称RC陷波滤波器，调谐至斩波频率及其五次谐波频率，以降低混叠效应。理论上，自稳零架构比斩波稳定架构表现出更大程度的混叠。但是，混叠效应会非常不同，可能无法具体说明。设计人员应该知道所用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以最佳状态工作。最后，运算放大器具有不同程度的EMI敏感性。半导体结可以接收和整流EMI信号，并在输出端产生由EMI引起的电压不平衡，这给总误差增加了另一个分量。输入引脚对EMI最敏感。高精度运算放大器NCS333ASN2T1G集成了一个低通滤波器，可降低对EMI的敏感度。
和设计考虑。
为了确保运算放大器的最佳性能，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一种敏感器件。例如，必须将一个0.1微法(f)的去耦电容尽可能靠近电源引脚放置。此外，在进行分流连接时，电路板上的印刷线路应长度和尺寸相等，并应尽可能短。运算放大器和分流电阻应位于电路板的同一侧。对于要求最高精度的应用，应使用四端分流电阻，也称为开尔文分流电阻。结合这些技术将降低电磁干扰的敏感性。连接时，务必遵循分流器制造商的建议。连接不当会给测量增加不必要的杂散导线阻抗和感应阻抗，并增加误差(图6)。
精度可能会受到与输入引脚温度相关的失调电压差异的影响。为了使这些差异最小化，设计者应该使用具有低热电系数的金属，并防止热源或冷却风扇的温度梯度。
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在各种工业应用中，对精密和精确信号调理的需求日益增加。随着这种需求，对低功耗和紧凑型解决方案的需求也在增加。运算放大器是信号调理中的关键部件，但设计人员需要添加自动校准等机制来保证系统在时间和温度上的稳定性，从而增加了系统的复杂度、成本和额外功耗。幸运的是，设计人员可以改用高性能零漂移运算放大器，这种放大器具有连续自动校准、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具有低功耗，结构紧凑，并具有所有工业应用所需的高CMRR、高PSRR和高开环增益等关键特性。
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