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新型零漂移运算放大器无论温度如何变化都能实现高精度

关键词:零漂移运算放大器 环境传感器

时间:2024-06-06 09:43:17      来源:网络

运算放大器 (Op-Amp) 是工业和消费电子产品中的基本元件,其用途广泛,从简单的任务(如基本放大和缓冲)到复杂的功能(如模拟数字转换、音频处理和传感器信号放大)。尽管运算放大器无处不在,但其一直存在一个问题,即热漂移 — 即放大器的输入失调电压随时间和温度波动而变化的现象。

运算放大器 (Op-Amp) 是工业和消费电子产品中的基本元件,其用途广泛,从简单的任务(如基本放大和缓冲)到复杂的功能(如模拟数字转换、音频处理和传感器信号放大)。尽管运算放大器无处不在,但其一直存在一个问题,即热漂移 — 即放大器的输入失调电压随时间和温度波动而变化的现象。

这种漂移在敏感应用中尤其成问题,因为即使是微小的偏差也可能导致错误或性能下降。本文将探讨零漂移运算放大器在温度波动的情况下保持精度和稳定性能的优势。本文还将讨论ROHM零漂移运算放大器相对于标准器件的底层技术和优势,以及在各种电子系统中的潜在应用。

环境传感中运算放大器的演变

环境传感器(例如温度、压力和气体检测器)会响应环境条件的变化而产生非常小的电信号,这些信号太弱,无法由微控制器直接处理。运算放大器可用于将这些信号放大到可控水平,同时保持传感器捕获的信息的完整性。例如,在汽车应用中,运算放大器可以放大来自温度传感器的信号,以实现的气候控制。同时,在化工厂等工业环境中,这些运算放大器可以增强来自气体传感器的信号,以监测和控制污染物水平。

随着时间的推移,运算放大器技术不断发展,旨在提高这些组件的灵敏度和性能。以下是一些功能:

低偏移和低噪声解决方案:运算放大器现在可显著降低输入偏移电压和输出噪声,非常适合需要高精度测量的环境传感。低偏移设计可限度地降低运算放大器内部元件不匹配导致的输入偏移电压;低噪声设计可防止运算放大器产生的噪声降低信号质量。

更高的带宽和更快的响应时间:由于环境条件往往会快速波动,制造商专注于制造具有更高带宽和快速响应时间的运算放大器,这些特性确保放大器能够跟上传感器输出的快速变化,提供实时、准确的读数。

物联网/边缘集成:在物联网/边缘系统和智能应用中,运算放大器被设计为与数字控制器和处理器集成,其中包括内置模数转换器和通信接口等功能。

环境稳定性:集成到工业或汽车系统中的运算放大器经过精心设计,能够承受高温、高湿和机械应力。这种稳定性确保了这些传感系统的可靠性和使用寿命。

环境传感器的度需求

温度传感器,如热电偶或 RTD(电阻温度检测器),会随着环境温度的变化而产生非常小的电压变化。这些传感器中的运算放大器用于放大这些微小信号,并且通常具有高 CMRR(共模抑制比)等功能,以过滤噪声并确保读数准确。用于检测环境中各种气体浓度的气体传感器也依靠运算放大器来处理来自电化学或催化扩散传感器的信号,这些传感器必须具有高灵敏度,能够检测到传感器输出的微小变化,并且能够耐受使用气体检测器的腐蚀性环境。

同样,用于监测和控制工业过程的压力传感器会根据压力变化提供电压输出。此类应用中使用的运算放大器需要具有高差分增益和稳定性,才能准确放大信号。低漂移放大器在这些应用中是,因为它们能够在时间和变化的温度条件下保持一致的性能。信号放大的轻微不准确会导致读数错误。这会导致潜在的危险,尤其是在工业环境中,及时检测有毒气体、高压或高温至关重要。在这样的应用中,运算放大器必须确保放大的信号是被监测刺激的表示。

运算放大器在环境传感中的挑战

广泛应用于电流传感应用的传统运算放大器在测量非常小的传感器信号时面临挑战。这些限制主要归因于两个因素:输入失调电压及其温度漂移。下面将详细介绍每个挑战。

运算放大器的输入失调电压是一个很小的电压,当输入理想情况下处于相同电平时,必须将其施加在输入端子之间以抵消输出电压。此失调是由于运算放大器输入级固有的不平衡造成的。虽然可以忽略不计,但在高精度至关重要的应用中,此失调电压可能会引入相当大的误差。例如,在电流感测应用中,电流转换为低电平的电压信号,输入失调电压会导致输出电压发生与非反相增益成比例的变化。

这会导致电流测量不准确。在电源控制逆变器中,这种电流测量误差可能会导致开关效率低下、损耗大和性能下降。在电动汽车等汽车应用中,这种不准确性会影响车辆的行驶里程、电池健康或安全系统。同样,电流测量偏差的环境传感器将提供不可靠的数据,导致错误的环境评估和有缺陷的决策。

输入失调电压温漂是指输入失调电压随环境温度变化而变化的情况——这是在各种温度范围内运行的应用或温度变化普遍的环境中的关键问题。在电源控制逆变器中,工作温度可能变化很大,导致输入失调电压漂移,从而影响电流感应的准确性。在各种温度范围内运行的汽车系统也面临类似的问题,温度波动会导致输入失调电压漂移,影响电池管理和安全控制等关键系统中的电流测量。

ROHM 的 LMR1002F-LB 零漂移运算放大器:主要特性和应用

ROHM 的 LMR1002F-LB 零漂移运算放大器提供超低输入失调电压,同时限度地降低其随温度变化的波动。ROHM 的 LMR1002F-LB 限制为 9?V(值),与标准产品相比,其失调电压明显更低。LMR1002F-LB 在宽工作温度范围内实现了 0.05?V/°C(值)的温度漂移,确保无论温度如何变化,性能都能保持一致。

ROHM 在 LMR1002F-LB 中内置了用于动态补偿失调电压的斩波电路。该电路用于检测运算放大器内部产生的失调电压,并通过数字电路控制自动进行补偿。该设计通过电压-电流转换电路将存储在电路中的电容失调电压反馈回来,从而消除失调电压。


 图 1:LMR1002F-LB 框图(来源:ROHM Semiconductor)

宽电源电压范围和轨到轨输入/输出

2.7V 至 5.5V 的电源电压范围和轨到轨输入/输出增强了 LMR1002F-LB 运算放大器在各种电源环境中的多功能性。此功能在汽车应用中至关重要,因为汽车中的电气系统会随着工作条件的变化而波动。在工业环境中,由于工业电源的多样性以及与不同类型传感器和接口兼容的需求,在宽电压范围内工作的能力也至关重要。


 图 2:LMR1002F-LB 温度漂移与标准低偏移产品(来源:ROHM Semiconductor)

减少外围元件和软件调整

LMR1002F-LB 通过斩波方法实现的零漂移特性可确保输入失调电压保持在 9?V 的低水平,与标准低失调运算放大器相比明显更低。失调电压的大幅降低消除了对抵消标准运算放大器中高失调电压所需的额外外围元件(包括电容器和电阻器)的需求,从而实现了更精简、更紧凑的电路设计。同样,较低的输入失调电压减少了对用于处理漂移问题的软件调整和校准程序的依赖。LMR1002F-LB 还可以提高产品开发和生产阶段的成本节约。减少的元件数量不仅可以降低物料清单,还可以简化装配和测试流程。对于设计师和工程师来说,这可能意味着更高效的设计周期,从而腾出时间和资源来专注于系统优化的其他关键方面。

宽温操作

LMR1002F-LB 的工作温度范围很广,从 -40°C 到 +125°C,这对于通常在恶劣环境条件下工作的工业和汽车应用至关重要。这种坚固性确保了在极端温度下的可靠性能。这种稳定性对于控制和监控制药等工业过程至关重要,因为在这些过程中,轻微的温度变化都可能导致严重的质量问题。对于电动汽车和混合动力汽车等汽车应用,LMR1002F-LB 能够适应从寒冷的冬季条件到引擎盖下产生的热量等各种温度变化,从而使传感器系统能够提供准确的数据,从而有助于提高车辆的整体安全性和效率。

主要应用

ROHM 的 LMR1002F-LB 运算放大器具有传感器信号放大功能,因此适用于各种环境和过程监控系统。具体而言,其低失调电压可提高检测系统的灵敏度和可靠性。例如,在传感器信号放大 1000 倍的电流传感应用中,LMR1002F-LB 的 9?V 失调电压可确保误差电压保持,从而保持输出信号的准确性。

在温度控制应用中,ROHM 的 LMR1002F-LB 可以放大用于化学反应、制造和食品加工等工业过程的 RTD 传感器的信号。在石油化工或制药等行业的管道流量计中,LMR1002F-LB 可以监测流体流量,这对于保持产品质量和工艺效率至关重要。此外,ROHM 的零漂移运算放大器可用于气体检测和监测系统,以检测和测量工业设施中的低浓度气体,例如二氧化碳或其他有毒气体。

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