如何使用零漂移運算放大器達到精密、準確的低功率工業系統控制

工業系統逐漸從機械控制轉向電子控制，製造商也看到此趨勢對產品品質與工作人員安全的益處；安全性的優點在於工作人員就可在嚴峻環境中受到更多防護。然而，正是這些嚴峻環境，加上極端溫度和電氣雜訊與電磁干擾 (EMI)，讓訊號調整如此關鍵，唯有如此才能維持電路的穩定性與敏感度，以便在工業機械的工作壽命期間達到可靠、精密且準確的控制。

訊號調節鏈當中有個關鍵元件，就是運算放大器。此高增益的 DC 差動放大器可用來擷取並放大所需的訊號。標準運算放大器容易受到溫度漂移的影響，且精密度與準確度有限，因此為了符合工業需求，設計人員會添加某種型式的系統及自動校準功能。問題在於，此校準功能較複雜而難以實作，而且會增加功耗。此外還需要更多的電路板空間，因此會增加成本與設計時間。

本文將探討工業應用的訊號調整需求，以及設計人員要考量的事項。接著將介紹 ON Semiconductor 的高效能零漂移運算放大器解決方案，說明此產品符合工業訊號調整的需求的原因及方法。此外也會說明這些裝置還有其他相關特點，例如高共模拒斥比 (CMR)、高電源拒斥比 (PSRR) 和高開迴路增益。

工業訊號調整應用

低側電流感測和感測器介面經常用於工業系統。與這些電路有關的差動訊號非常小，因此設計人員需要高準確度的運算放大器。

低側電流感測可用來偵測過電流情況，通常用於回授控制 (圖1)。會使用一個低值感測電阻 (<100 mΩ) 跟負載串聯再接地。此電阻具有低值，可降低功率損耗和發熱，但也會導致少量壓降。可使用精密型零漂移運算放大器，以外部電阻 R1、R2、R3 與 R4 (其中，R1 = R2、R3 = R4) 設定的增益，將感測電阻上的壓降放大。需要精密型電阻達到高準確度，且需將增益設定成能發揮類比數位轉換器滿量程的狀態，以達到最高解析度。

圖 1：低側電流感測指出感測電阻與 ADC 之間的運算放大器介面。(圖片來源：ON Semiconductor)

在工業和儀表系統中用來測量應變、壓力和溫度的感測器，通常會配置成惠司同電橋配置 (圖 2)。可測量到的感測器電壓變化可能非常小，因此必須先放大再傳送到 ADC。精密型零漂移運算放大器具有高增益、低雜訊和低偏移電壓，因此經常用於這些應用。

圖 2：精密型運算放大器經常搭配惠司同電橋使用，可將感測器的應變、壓力和溫度訊號放大，然後再傳送到 ADC。(圖片來源：ON Semiconductor)

精密運算放大器的關鍵參數

在電流感測與感測器介面應用中，偏移電壓、偏移電壓漂移、雜訊易感性和開迴路電壓增益是限制運算放大器效能的關鍵參數 (表1)。

表 1：影響精密運算放大器準確度與精密度的關鍵參數。(圖片來源：ON Semiconductor)

輸入偏移電壓 (以 V_OS 或 V_IO 表示，視製造商而定) 是由半導體製程中的瑕疵所導致，會在 V_IN+ 和 V_IN- 之間產生差動電壓。此零件對零件的變動會隨著溫度而飄移，可能是正值或負值，因此難以校準。設計人員努力為了減少標準運算放大器的偏移或漂移，不僅會增添複雜性，在某些情況下還會導致功耗增加。

運算放大器採用差動放大器的配置進行電流感測就是個例子 (圖 3)。

圖 3：運算放大器採用差動放大器配置進行電流感測。低偏移電壓相當重要，因為輸入偏移電壓會因雜訊增益放大，而在輸出造成偏移誤差 (標示為「V_OS 造成的誤差」)。(圖片來源：ON Semiconductor)

輸出電壓是訊號增益項 (V_SENSE) 和雜訊增益項 (V_OS) 的總和，如方程式 1 所示:

方程式 1

輸入偏移電壓屬於運算放大器的內部參數之一，會依據雜訊增益加乘，而非訊號增益，因此會導致輸出偏移誤差 (圖 2 所示的「V_OS 造成的誤差」)。精密運算放大器會使用多種技術盡可能將偏移電壓降至最低。在零漂移運算放大器中，此作法特別適用於低頻和 DC 訊號。與一般用途運算放大器相比，精密零漂移運算放大器的偏移電壓會降低超過兩個數量級 (表 2)。

表 2：針對所選的一般用途運算放大器和截波穩定零漂移運算放大器的最大偏移電壓時進行比較後發現，精密零漂移運算放大器的偏移電壓低了兩個數量級。(圖片來源：ON Semiconductor)

零漂移運算放大器

由於效能增強，因此設計人員能使用零漂移運算放大器滿足工業應用訊號調整的需求。有兩個提供不同效能水準的零漂移運算放大器範例，分別為 ON Semiconductor 的 NCS325SN2T1G 和 NCS333ASN2T1G。設計人員可在精密應用中使用 NCS325SN2T1G，享受其 50 (μV) 偏移和 0.25 μV/°C 漂移的優勢，而 NCS333ASN2T1G 系列則適用於最嚴峻的高精密度應用，可提供 10 μV 偏移和僅 0.07 μV/°C 的漂移。這兩個運算放大器使用不同的內部架構達到零漂移。

NCS333ASN2T1G 採用截波穩定架構，優點在於可在溫度和時間變化下將偏移電壓飄移降至最低 (圖 4)。與傳統的截波架構不同的是，截波穩定架構有兩條訊號路徑。

圖 4：NCS333ASN2T1G 有兩條訊號路徑：第二條路徑 (底部) 會針對輸入偏移電壓進行採樣，可用來校正輸出的偏移。(圖片來源：ON Semiconductor)

在圖 4 中，較低的訊號路徑就是截波器對輸入偏移電壓進行採樣之處，會用來校正輸出的偏移。偏移校正會在 125 kHz 頻率下進行。截波穩定架構經過最佳化，可在高達相關奈奎斯特頻率下 (偏移校正頻率的 1/2) 提供最佳效能。由於訊號頻率超過奈奎斯特頻率 62.5 kHz，輸出可能會出現頻疊。這是所有截波器和截波穩定架構的固有限制。

儘管如此，NCS333ASN2T1G 運算放大器僅有最高 125 kHz 的頻疊，並具有最高 190 kHz 的低頻疊。ON Semiconductor 的專利作法採用兩個串聯的對稱式電阻電容 (RC) 陷波濾波器，並依據截波頻率及其五次諧波進行微調，以降低頻疊效應。

自動歸零架構

零漂移運算放大器的另一個作法是自動歸零架構 (圖 5)。自動歸零設計具有主放大器和歸零放大器。也會使用時脈系統。在第一階段，切換式電容會在歸零放大器輸出保留前一階段的偏移誤差。在第二階段，歸零放大器輸出的偏移會用來校正主放大器的偏移。ON Semiconductor 的 NCS325SN2T1G 採用自動歸零架構製造。

圖 5：NCS325SN2T1G 等自動歸零運算放大器的簡化方塊圖可指出切換式電容。(圖片來源：ON Semiconductor)

NCS333ASN2T1G (截波穩定架構) 和 NCS325SN2T1G (自動歸零架構) 除了有上述偏移電壓和漂移層面的差異外，不同的架構也會在開迴路電壓增益、雜訊效能和頻疊易感性方面產生差異。NCS333ASN2T1G 的開迴路電壓增益為 145 dB，NCS325SN2T1G 的開迴路電壓增益則為 114 dB。在雜訊考量上，NCS333ASN2T1G 的 CMRR 為 111 dB、PSRR 為 130 dB，而 NCS325SN2T1G 的 CMRR 則為 108 dB、PSRR 為 107 dB。兩者的額定值都非常優良，但 NCS333ASN2T1G 更優於 NCS325SN2T1G。

NCS333ASN2T1G 系列運算放大器也具有最小的頻疊。這是因為 ON Semiconductor 的專利作法使用兩個串聯的對稱式 RC 陷波濾波器，並依據截波頻率及其五次諧波進行微調，以降低頻疊效應。理論上來說，自動歸零架構會展現比截波穩定架構更明顯的頻疊。但是，頻疊效應的變化很大，永遠無法明確。設計人員應針對使用的特定運算放大器，瞭解其頻疊特性。頻疊並非取樣放大器的瑕疵，而是一種行為。瞭解此行為以及避免的方法，就能讓零漂移放大器達到最佳運作。

最後，運算放大器具有不同程度的 EMI 易感性。半導體接面可以拾取和矯正 EMI 訊號，在輸出端產生 EMI 誘導的電壓偏移，進而在總誤差中添加另一個成分。輸入引腳對 EMI 最敏感。高精密度的 NCS333ASN2T1G 運算放大器整合了低通濾波器，可降低對 EMI 的靈敏度。

設計和佈局上的考量

為了確保發揮運算放大器的最佳效能，設計人員務必遵循優良的 PC 板設計實務。高精密度運算放大器屬於敏感裝置。例如，放置 0.1 μF 解耦電容時，務必盡可能靠近電源引腳。此外，分流連接時，電路板走線的長度與尺寸應相等，且盡可能越短越好。運算放大器與分流電阻應在電路板同一面，若應用需要最高的準確度，則應使用四端子分流器 (亦稱為凱氏分流器)。綜合這些技術即可降低 EMI 易感性。

連接時，務必遵循分流器製造商的建議。若連接有誤，會在測量時增加不必要的雜散引線及感測電阻，並且會增加誤差 (圖 6)。

圖 6：連接雙端子分流電阻以說明雜散電阻 (R_Lead 和 R_Sense)。(圖片來源：ON Semiconductor)

準確度會受到輸入引腳上隨溫度而變的偏移電壓影響。為了將這些變化降至最低，設計人員應使用熱電係數較低的金屬，並且避免來自熱源或散熱風扇的溫度梯度。

結論

許多工業應用對精密且準確的訊號調整需求逐漸提高，對低功率小型解決方案的需求也跟著增加。運算放大器是訊號調整的關鍵元件，但設計人員必須添加自動校準和其他機制，以確保在時間和溫度變化下的穩定性，但這也會增加複雜性、成本和額外的功耗。 

幸好，設計人員可以轉用高效能的零漂移運算放大器，即可達到連續自動校準、超低偏移電壓，且在時間和溫度變化下幾乎零漂移。此外，更可在寬廣的動態範圍內達到低功耗，更採用小巧尺寸，並且具有高 CMRR、高 PSRR、高開迴路增益等工業應用相當重視的特點。

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