運算放大器 (Op-Amp) 是工業(yè)和消費電子產(chǎn)品中的基本元件，其用途廣泛，從簡單的任務(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放大)。盡管運算放大器無處不在，但其一直存在一個問題，即熱漂移 — 即放大器的輸入失調(diào)電壓隨時間和溫度波動而變化的現(xiàn)象。

這種漂移在敏感應(yīng)用中尤其成問題，因為即使是微小的偏差也可能導(dǎo)致錯誤或性能下降。本文將探討零漂移運算放大器在溫度波動的情況下保持精度和穩(wěn)定性能的優(yōu)勢。本文還將討論ROHM零漂移運算放大器相對于標(biāo)準(zhǔn)器件的底層技術(shù)和優(yōu)勢，以及在各種電子系統(tǒng)中的潛在應(yīng)用。

環(huán)境傳感中運算放大器的演變

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

隨著時間的推移，運算放大器技術(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量的環(huán)境傳感。低偏移設(shè)計可最大限度地降低運算放大器內(nèi)部元件不匹配導(dǎo)致的輸入偏移電壓;低噪聲設(shè)計可防止運算放大器產(chǎn)生的噪聲降低信號質(zhì)量。

· 更高的帶寬和更快的響應(yīng)時間：由于環(huán)境條件往往會快速波動，制造商專注于制造具有更高帶寬和快速響應(yīng)時間的運算放大器，這些特性確保放大器能夠跟上傳感器輸出的快速變化，提供實時、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，運算放大器被設(shè)計為與數(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)中的運算放大器經(jīng)過精心設(shè)計，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(電阻溫度檢測器)，會隨著環(huán)境溫度的變化而產(chǎn)生非常小的電壓變化。這些傳感器中的運算放大器用于放大這些微小信號，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。用于檢測環(huán)境中各種氣體濃度的氣體傳感器也依靠運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，這些傳感器必須具有高靈敏度，能夠檢測到傳感器輸出的微小變化，并且能夠耐受使用氣體檢測器的腐蝕性環(huán)境。

同樣，用于監(jiān)測和控制工業(yè)過程的壓力傳感器會根據(jù)壓力變化提供電壓輸出。此類應(yīng)用中使用的運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。低漂移放大器在這些應(yīng)用中是首選，因為它們能夠在時間和變化的溫度條件下保持一致的性能。信號放大的輕微不準(zhǔn)確會導(dǎo)致讀數(shù)錯誤。這會導(dǎo)致潛在的危險，尤其是在工業(yè)環(huán)境中，及時檢測有毒氣體、高壓或高溫至關(guān)重要。在這樣的應(yīng)用中，運算放大器必須確保放大的信號是被監(jiān)測刺激的精確表示。

運算放大器在環(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)運算放大器在測量非常小的傳感器信號時面臨挑戰(zhàn)。這些限制主要歸因于兩個因素：輸入失調(diào)電壓及其溫度漂移。下面將詳細(xì)介紹每個挑戰(zhàn)。

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

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

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)運行的汽車系統(tǒng)也面臨類似的問題，溫度波動會導(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)中的電流測量。

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

ROHM 的 LMR1002F-LB 零漂移運算放大器提供超低輸入失調(diào)電壓，同時最大限度地降低其隨溫度變化的波動。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)置了用于動態(tài)補(bǔ)償失調(diào)電壓的斬波電路。該電路用于檢測運算放大器內(nèi)部產(chǎn)生的失調(diào)電壓，并通過數(shù)字電路控制自動進(jìn)行補(bǔ)償。該設(shè)計通過電壓-電流轉(zhuǎn)換電路將存儲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，因為汽車中的電氣系統(tǒng)會隨著工作條件的變化而波動。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)運算放大器相比明顯更低。失調(diào)電壓的大幅降低消除了對抵消標(biāo)準(zhǔn)運算放大器中高失調(diào)電壓所需的額外外圍元件(包括電容器和電阻器)的需求，從而實現(xiàn)了更精簡、更緊湊的電路設(shè)計。同樣，較低的輸入失調(diào)電壓減少了對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，還可以簡化裝配和測試流程。對于設(shè)計師和工程師來說，這可能意味著更高效的設(shè)計周期，釋放時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。這種堅固性確保了在極端溫度下的可靠性能。這種穩(wěn)定性對于精確控制和監(jiān)控制藥等工業(yè)過程至關(guān)重要，因為在這些過程中，輕微的溫度變化都可能導(dǎo)致嚴(yán)重的質(zhì)量問題。對于電動汽車和混合動力汽車等汽車應(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 運算放大器具有傳感器信號放大功能，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)電壓可提高檢測系統(tǒng)的靈敏度和可靠性。例如，在傳感器信號放大 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。在石油化工或制藥等行業(yè)的管道流量計中，LMR1002F-LB 可以監(jiān)測流體流量，這對于保持產(chǎn)品質(zhì)量和工藝效率至關(guān)重要。此外，ROHM 的零漂移運算放大器可用于氣體檢測和監(jiān)測系統(tǒng)，以檢測和測量工業(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__使用新型零漂移運算放大器，針對無論溫度如何變化都能實現(xiàn)高精度