随着⼯业系统越来越多地从机械控制转向电⼦控制，制造商看到了产品质量和⼯⼈安全性的提升。之所以如此，主要原因是后者在恶劣环境中给⼯⼈提供了更⼤的保护。然⽽，正是这些恶劣的环境、极端的温度以及电⽓噪声和电磁⼲扰(EMI)，使得良好的信号调节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运⾏寿命期内实现可靠、精确和准确的控制所需要的。
信号调节链中的⼀个关键元件是运算放⼤器，它是⼀种⾼增益的直流差分放⼤器，⽤于采集和放⼤所需的信号。标准的运算放⼤器容易受到温度漂移的影响，⽽且精度和准确性有限；因此，为了满⾜⼯业要求，设计⼈员会增加某种形式的系统级⾃动校准功能。问题是，这个校准功能实现起来可能很复杂，⽽且会增加功耗。此外，它还需要更多的电路板空间，并会增加成本和设计时间。
本⽂将回顾⼯业应⽤中的信号调节要求以及设计⼈员需要关注的问题。接下来，将介绍ON Semiconductor的⾼性能零漂移运算放⼤器解决⽅案，并说明为什么以及如何将其⽤于满⾜⼯业信号调节要求。同时还将探讨这些器件的其他相关特征，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到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的运算放⼤器。
图1为⽤于检测过流情况的低压侧电流传感电路，该电路常⽤于反馈控制。图中⼀个低阻值检测电阻器（<100毫欧(mΩ)）与对地负载串联。该电阻器的低阻值可以减少功率损耗和发热，但也会相应导致⼩压降。精密零漂移运算放⼤器可以⽤来放⼤检测电阻上的压降，增益由外部电阻R1、R2、R3和R4设定（其中R1=R2、R3=R4）。⾼精度需要精密电阻器，设置增益是为了利⽤模数转换器 (ADC) 的满量程以获得最⾼的分辨率。
⼯业和仪表系统中⽤于测量应变、压⼒和温度的传感器通常配置为惠斯通电桥配置（图2）。提供测量的传感器电压变化可能相当⼩，必须在进⼊ADC之前进⾏放⼤。由于精密零漂移运算放⼤器具有⾼增益、低噪声和低失调电压，因此常被⽤于这些应⽤。
精密运算放⼤器的关键参数
失调电压、失调电压漂移、对噪声的敏感度和开环电压增益是限制运算放⼤器在电流传感和传感器接⼝应⽤中性能的关键参数（表1）。
输⼊失调电压（⽤V OS 或V IO 表⽰，具体取决于制造商）源⾃半导体制造⼯艺的不完善，导致在V IN+ 和V IN- 之间出现⼀个差分电压。这是零件间的差异，会随温度漂移，并且可能为正值或负值，因此很难校准。设计⼈员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，⽽且在某些情况下会导致功耗增加。
例如，考虑使⽤采⽤差动放⼤器配置的运算放⼤器进⾏电流传感（图3）。
输出电压为信号增益项 (V SENSE ) 与噪声增益项 (V OS ) 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“V OS 导致的误差”）。精密运算放⼤器利⽤各种技术尽可能地降低失调电压。在零漂移运算放⼤器中，这尤其适⽤于低频和直流信号。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满⾜⼯业应⽤的信号调节要求。ONSemiconductor的
NCS325SN2T1G和NCS333ASN2T1G是两个具有不同性能⽔平的零漂移运算放⼤器实例。设计⼈员可将
NCS325SN2T1G器件⽤于精密应⽤，优势在于其50微伏 (µV) 的失调和0.25µV/°C的漂移，⽽NCS333ASN2T1G系列则适⽤于最苛刻的⾼精度应⽤，可提供10µV的失调和仅0.07µV/°C的漂移。这两个运算放⼤器采⽤不同的内部架构实现了零漂移。
NCS333ASN2T1G 采⽤斩波稳定架构，其优点是最⼤限度地减少了失调电压随温度和时间的漂移（图4）。与传统斩波架构不同，该斩波稳定化架构有两条信号路径。
在图4 中，下⽅信号路径是斩波器对输⼊失调电压进⾏采样之处，随后会⽤于校正输出端的失调。失调校正出现在125千赫兹 (kHz) 频率。斩波稳定架构经过优化，可在频率达到相关奈奎斯特频率（失调校正频率的1/2）时获得最佳性能。由于信号频率超过了62.5kHz的奈奎斯特频率，因此在输出端可能会出现混叠现象。这是所有斩波和斩波稳定架构的固有限制。
尽管如此，NCS333ASN2T1G运算放⼤器在125千赫以内仍具有最⼩的混叠，且到190千赫前仍保持低混叠。ON Semiconductor的专利⽅法使⽤了两个级联、对称的电阻-电容 (RC) 陷波滤波器，调谐⾄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
零漂移运算放⼤器的另⼀种实现⽅法是采⽤⾃动归零架构（图5）。⾃动归零设计有⼀个主放⼤器和⼀个归零放⼤器。它还使⽤了时钟系统。在第⼀阶段，开关电容将前⼀阶段的失调误差保持在归零放⼤器输出上。在第⼆阶段，利⽤归零放⼤器输出的失调来修正主放⼤器的失调。ON Semiconductor的NCS325SN2T1G采⽤了⾃动归零架构。
NCS333ASN2T1G（斩波稳定架构）和NCS325SN2T1G（⾃动归零架构）除了在失调电压和漂移⽅⾯有上述差异外，不同的架构还产⽣了开环电压增益、噪声性能和混叠敏感度的差异。NCS333ASN2T1G的开环电压增益为145分贝(dB)，⽽NCS325SN2T1G的开环电压增益为114dB。考虑噪声，NCS333ASN2T1G的CMRR为111dB，PSRR为130dB，⽽NCS325SN2T1G的CMRR为108dB，PSRR为107dB。两者评价都很好，但NCS333ASN2T1G的表现要优于NCS325SN2T1G。
汽车如何漂移NCS333ASN2T1G系列运算放⼤器也具有最⼩的混叠。这是因为ON Semiconductor的专利⽅法使⽤了两个级联、对称的RC陷波滤波器，调谐⾄斩波频率及其五次谐波频率，减少了混叠效应。理论上，⾃动归零架构会⽐斩波稳定型表现出更⼤的混叠程度。但是混叠效应会有很⼤的不同，且不⼀定会被指明。设计者要了解所使⽤具体运算放⼤器的混叠特征。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这种⾏为可以让零漂移放⼤器以最佳状态运⾏。
最后，运算放⼤器还具有不同程度的EMI敏感度。半导体结可以接收并整流EMI信号，在输出端产⽣EMI引起的电压失调，为总误差增加了另⼀个分量。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，降低了对EMI的敏感性。
设计和布局注意事项
为了确保实现最佳的运算放⼤器性能，设计者必须遵循良好的电路板设计惯例。⾼精度运算放⼤器是敏
感器件。例如，将0.1微法拉 (µF) 的去耦电容尽可能靠近电源引脚放置就很重要。另外，在进⾏分流连接时，电路板上的印制线要等长、等尺⼨，且要尽量短。运算放⼤器和分流电阻器应在电路板的同⼀侧，对于要求最⾼精度级别的应⽤，应使⽤四端⼦分流器，也称开尔⽂分流器。综合使⽤这些技术将降低 EMI 的敏感度。
连接时⼀定要按照分流器制造商的建议进⾏。连接不当会给测量增加不必要的杂散引线阻抗和感应阻抗，并增加误差（图6）。
精度可能会受到输⼊引脚上与温度有关的失调电压差异的影响。为了将这些差异降到最低，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出现温度梯度。
结语
在各种⼯业应⽤中，对精密、准确的信号调节的需求不断增加。伴随着这种需求增加的是对低功耗、紧凑型解决⽅案的需求。运算放⼤器是信号调节中的关键元件，但设计⼈员需要增加⾃动校准和其他机制，以确保系统时间和温度稳定性，因此增加了系统的复杂性、成本和额外的功耗。
幸运的是，设计⼈员可以转⽽使⽤⾼性能零漂移运算放⼤器，这些器件具有连续的⾃动校准功能、极低的失调电压以及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，并且具有所有⼯业应⽤都需要的⾼CMRR、⾼PSRR和⾼开环增益关键特征。
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