運(yùn)算放大器 (Op-Amp) 是工業(yè)和消費(fèi)電子產(chǎn)品中的基本元件，其用途廣泛，從簡(jiǎn)單的任務(wù)(如基本放大和緩沖)到復(fù)雜的功能(如模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換、音頻處理和傳感器信號(hào)放大)。盡管運(yùn)算放大器無處不在，但其一直存在一個(gè)問題，即熱漂移 — 即放大器的輸入失調(diào)電壓隨時(shí)間和溫度波動(dòng)而變化的現(xiàn)象。

這種漂移在敏感應(yīng)用中尤其成問題，因?yàn)榧词故俏⑿〉钠钜部赡軐?dǎo)致錯(cuò)誤或性能下降。本文將探討零漂移運(yùn)算放大器在溫度波動(dòng)的情況下保持精度和穩(wěn)定性能的優(yōu)勢(shì)。本文還將討論ROHM零漂移運(yùn)算放大器相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)器件的底層技術(shù)和優(yōu)勢(shì)，以及在各種電子系統(tǒng)中的潛在應(yīng)用。

環(huán)境傳感中運(yùn)算放大器的演變

環(huán)境傳感器(例如溫度、壓力和氣體檢測(cè)器)會(huì)響應(yīng)環(huán)境條件的變化而產(chǎn)生非常小的電信號(hào)，這些信號(hào)太弱，無法由微控制器直接處理。運(yùn)算放大器可用于將這些信號(hào)放大到可控水平，同時(shí)保持傳感器捕獲的信息的完整性。例如，在汽車應(yīng)用中，運(yùn)算放大器可以放大來自溫度傳感器的信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)精確的氣候控制。同時(shí)，在化工廠等工業(yè)環(huán)境中，這些運(yùn)算放大器可以增強(qiáng)來自氣體傳感器的信號(hào)，以監(jiān)測(cè)和控制污染物水平。

隨著時(shí)間的推移，運(yùn)算放大器技術(shù)不斷發(fā)展，旨在提高這些組件的靈敏度和性能。以下是一些最新功能：

· 低偏移和低噪聲解決方案：運(yùn)算放大器現(xiàn)在可顯著降低輸入偏移電壓和輸出噪聲，非常適合需要高精度測(cè)量的環(huán)境傳感。低偏移設(shè)計(jì)可最大限度地降低運(yùn)算放大器內(nèi)部元件不匹配導(dǎo)致的輸入偏移電壓;低噪聲設(shè)計(jì)可防止運(yùn)算放大器產(chǎn)生的噪聲降低信號(hào)質(zhì)量。

· 更高的帶寬和更快的響應(yīng)時(shí)間：由于環(huán)境條件往往會(huì)快速波動(dòng)，制造商專注于制造具有更高帶寬和快速響應(yīng)時(shí)間的運(yùn)算放大器，這些特性確保放大器能夠跟上傳感器輸出的快速變化，提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的讀數(shù)。

· 物聯(lián)網(wǎng)/邊緣集成：在物聯(lián)網(wǎng)/邊緣系統(tǒng)和智能應(yīng)用中，運(yùn)算放大器被設(shè)計(jì)為與數(shù)字控制器和處理器集成，其中包括內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器和通信接口等功能。

· 環(huán)境穩(wěn)定性：集成到工業(yè)或汽車系統(tǒng)中的運(yùn)算放大器經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，能夠承受高溫、高濕和機(jī)械應(yīng)力。這種穩(wěn)定性確保了這些傳感系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。

環(huán)境傳感器的精確度需求

溫度傳感器，如熱電偶或 RTD(電阻溫度檢測(cè)器)，會(huì)隨著環(huán)境溫度的變化而產(chǎn)生非常小的電壓變化。這些傳感器中的運(yùn)算放大器用于放大這些微小信號(hào)，并且通常具有高 CMRR(共模抑制比)等功能，以過濾噪聲并確保讀數(shù)準(zhǔn)確。用于檢測(cè)環(huán)境中各種氣體濃度的氣體傳感器也依靠運(yùn)算放大器來處理來自電化學(xué)或催化擴(kuò)散傳感器的信號(hào)，這些傳感器必須具有高靈敏度，能夠檢測(cè)到傳感器輸出的微小變化，并且能夠耐受使用氣體檢測(cè)器的腐蝕性環(huán)境。

同樣，用于監(jiān)測(cè)和控制工業(yè)過程的壓力傳感器會(huì)根據(jù)壓力變化提供電壓輸出。此類應(yīng)用中使用的運(yùn)算放大器需要具有高差分增益和穩(wěn)定性，才能準(zhǔn)確放大信號(hào)。低漂移放大器在這些應(yīng)用中是首選，因?yàn)樗鼈兡軌蛟跁r(shí)間和變化的溫度條件下保持一致的性能。信號(hào)放大的輕微不準(zhǔn)確會(huì)導(dǎo)致讀數(shù)錯(cuò)誤。這會(huì)導(dǎo)致潛在的危險(xiǎn)，尤其是在工業(yè)環(huán)境中，及時(shí)檢測(cè)有毒氣體、高壓或高溫至關(guān)重要。在這樣的應(yīng)用中，運(yùn)算放大器必須確保放大的信號(hào)是被監(jiān)測(cè)刺激的精確表示。

運(yùn)算放大器在環(huán)境傳感中的挑戰(zhàn)

廣泛應(yīng)用于電流傳感應(yīng)用的傳統(tǒng)運(yùn)算放大器在測(cè)量非常小的傳感器信號(hào)時(shí)面臨挑戰(zhàn)。這些限制主要?dú)w因于兩個(gè)因素：輸入失調(diào)電壓及其溫度漂移。下面將詳細(xì)介紹每個(gè)挑戰(zhàn)。

運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓是一個(gè)小電壓，當(dāng)輸入理想情況下處于相同電平時(shí)，必須將其施加在輸入端子之間以抵消輸出電壓。此失調(diào)是由于運(yùn)算放大器輸入級(jí)固有的不平衡造成的。雖然可以忽略不計(jì)，但在高精度至關(guān)重要的應(yīng)用中，此失調(diào)電壓可能會(huì)引入相當(dāng)大的誤差。例如，在電流感測(cè)應(yīng)用中，電流轉(zhuǎn)換為低電平的電壓信號(hào)，輸入失調(diào)電壓會(huì)導(dǎo)致輸出電壓發(fā)生與非反相增益成比例的變化。

這會(huì)導(dǎo)致電流測(cè)量不準(zhǔn)確。在電源控制逆變器中，這種電流測(cè)量誤差可能會(huì)導(dǎo)致開關(guān)效率低下、損耗大和性能下降。在電動(dòng)汽車等汽車應(yīng)用中，這種不準(zhǔn)確性會(huì)影響車輛的行駛里程、電池健康或安全系統(tǒng)。同樣，電流測(cè)量偏差的環(huán)境傳感器將提供不可靠的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致錯(cuò)誤的環(huán)境評(píng)估和有缺陷的決策。

輸入失調(diào)電壓溫漂是指輸入失調(diào)電壓隨環(huán)境溫度變化而變化的情況——這是在各種溫度范圍內(nèi)運(yùn)行的應(yīng)用或溫度變化普遍的環(huán)境中的關(guān)鍵問題。在電源控制逆變器中，工作溫度可能變化很大，導(dǎo)致輸入失調(diào)電壓漂移，從而影響電流感應(yīng)的準(zhǔn)確性。在各種溫度范圍內(nèi)運(yùn)行的汽車系統(tǒng)也面臨類似的問題，溫度波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致輸入失調(diào)電壓漂移，影響電池管理和安全控制等關(guān)鍵系統(tǒng)中的電流測(cè)量。

ROHM 的 LMR1002F-LB 零漂移運(yùn)算放大器：主要特性和應(yīng)用

ROHM 的 LMR1002F-LB 零漂移運(yùn)算放大器提供超低輸入失調(diào)電壓，同時(shí)最大限度地降低其隨溫度變化的波動(dòng)。ROHM 的 LMR1002F-LB 限制為 9μV(最大值)，與標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品相比，其失調(diào)電壓明顯更低。LMR1002F-LB 在寬工作溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了 0.05μV/°C(最大值)的溫度漂移，確保無論溫度如何變化，性能都能保持一致。

ROHM 在 LMR1002F-LB 中內(nèi)置了用于動(dòng)態(tài)補(bǔ)償失調(diào)電壓的斬波電路。該電路用于檢測(cè)運(yùn)算放大器內(nèi)部產(chǎn)生的失調(diào)電壓，并通過數(shù)字電路控制自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。該設(shè)計(jì)通過電壓-電流轉(zhuǎn)換電路將存儲(chǔ)在電路中的電容失調(diào)電壓反饋回來，從而消除失調(diào)電壓。

圖 1：LMR1002F-LB 框圖(來源：ROHM Semiconductor)

寬電源電壓范圍和軌到軌輸入/輸出

2.7V 至 5.5V 的電源電壓范圍和軌到軌輸入/輸出增強(qiáng)了 LMR1002F-LB 運(yùn)算放大器在各種電源環(huán)境中的多功能性。此功能在汽車應(yīng)用中至關(guān)重要，因?yàn)槠囍械碾姎庀到y(tǒng)會(huì)隨著工作條件的變化而波動(dòng)。在工業(yè)環(huán)境中，由于工業(yè)電源的多樣性以及與不同類型傳感器和接口兼容的需求，在寬電壓范圍內(nèi)工作的能力也至關(guān)重要。

圖 2：LMR1002F-LB 溫度漂移與標(biāo)準(zhǔn)低偏移產(chǎn)品(來源：ROHM Semiconductor)

減少外圍元件和軟件調(diào)整

LMR1002F-LB 通過斬波方法實(shí)現(xiàn)的零漂移特性可確保輸入失調(diào)電壓保持在 9μV 的低水平，與標(biāo)準(zhǔn)低失調(diào)運(yùn)算放大器相比明顯更低。失調(diào)電壓的大幅降低消除了對(duì)抵消標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器中高失調(diào)電壓所需的額外外圍元件(包括電容器和電阻器)的需求，從而實(shí)現(xiàn)了更精簡(jiǎn)、更緊湊的電路設(shè)計(jì)。同樣，較低的輸入失調(diào)電壓減少了對(duì)用于處理漂移問題的軟件調(diào)整和校準(zhǔn)程序的依賴。LMR1002F-LB 還可以提高產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)階段的成本節(jié)約。減少的元件數(shù)量不僅可以降低物料清單，還可以簡(jiǎn)化裝配和測(cè)試流程。對(duì)于設(shè)計(jì)師和工程師來說，這可能意味著更高效的設(shè)計(jì)周期，釋放時(shí)間和資源來專注于系統(tǒng)優(yōu)化的其他關(guān)鍵方面。

寬溫操作

LMR1002F-LB 的工作溫度范圍很廣，從 -40°C 到 +125°C，這對(duì)于通常在惡劣環(huán)境條件下工作的工業(yè)和汽車應(yīng)用至關(guān)重要。這種堅(jiān)固性確保了在極端溫度下的可靠性能。這種穩(wěn)定性對(duì)于精確控制和監(jiān)控制藥等工業(yè)過程至關(guān)重要，因?yàn)樵谶@些過程中，輕微的溫度變化都可能導(dǎo)致嚴(yán)重的質(zhì)量問題。對(duì)于電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車等汽車應(yīng)用，LMR1002F-LB 能夠適應(yīng)從寒冷的冬季條件到引擎蓋下產(chǎn)生的熱量等各種溫度變化，從而使傳感器系統(tǒng)能夠提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，從而有助于提高車輛的整體安全性和效率。

主要應(yīng)用

ROHM 的 LMR1002F-LB 運(yùn)算放大器具有傳感器信號(hào)放大功能，因此適用于各種環(huán)境和過程監(jiān)控系統(tǒng)。具體而言，其低失調(diào)電壓可提高檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度和可靠性。例如，在傳感器信號(hào)放大 1000 倍的電流傳感應(yīng)用中，LMR1002F-LB 的 9μV 失調(diào)電壓可確保誤差電壓保持最小，從而保持輸出信號(hào)的準(zhǔn)確性。

在溫度控制應(yīng)用中，ROHM 的 LMR1002F-LB 可以精確放大用于化學(xué)反應(yīng)、制造和食品加工等工業(yè)過程的 RTD 傳感器的信號(hào)。在石油化工或制藥等行業(yè)的管道流量計(jì)中，LMR1002F-LB 可以監(jiān)測(cè)流體流量，這對(duì)于保持產(chǎn)品質(zhì)量和工藝效率至關(guān)重要。此外，ROHM 的零漂移運(yùn)算放大器可用于氣體檢測(cè)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以檢測(cè)和測(cè)量工業(yè)設(shè)施中的低濃度氣體，例如二氧化碳或其他有毒氣體。

20240706_6689160105578__使用新型零漂移運(yùn)算放大器，針對(duì)無論溫度如何變化都能實(shí)現(xiàn)高精度