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      通用運算放大器并不能用于所有用途:精密的準確性和成本效益

      作者:Farhana Sarder時間:2019-07-26來源:電子產品世界收藏

      我們常發現客戶將如LM321用于電流檢測應用。這是數十年來一直在使用的傳統運算放大器之一。這些傳統運算放大器成本低,用于無數應用。然而,有時同樣的客戶又向我們反饋,說這些運算放大器在其電流檢測電路中出現故障。當我們查看退回的運算放大器單元時,它們按預期工作。那么問題出在哪里?

      本文引用地址:http://www.qb565.com/article/201907/403116.htm

      因為運算放大器是“通用的”并不意味著“可用于所有用途”。電流檢測應用需要精密。電流檢測通常用于電源管理和過流保護應用。想象一個不精確的世界。當您的手機電量快耗盡時,電量指示可能是8%。您可能設計在100A觸發的過流電路,卻發現保護電路在150A才啟動,所有下游器件都被損壞。這就是通用和精密的區別。

      一個精密運算放大器的關鍵是輸入失調電壓。其共模抑制比(CMRR)和電源抑制比(PSRR)也有更好的規格,但這兩個參數都可當作隨共模電壓或電源電壓變化的輸入失調電壓。什么是輸入失調電壓?輸入失調電壓是每一個運算放大器輸入的固有偏置,是由于制造工藝引起的輸入晶體管輕微失配。在學校時,我們了解到理想的運放具有零輸入失調電壓,但我們知道在現實世界不是這樣。

      傳統如LM321有VOS =±7mV(最大值),現代如NCS20071有VOS =±3.5 mV(最大值)。此最大規格分布在零附近。這說明大多時候隨機選擇的器件將表現出近零的偏置。您可以確信,您的原型電路與常用的LM321一起完美工作,但當電路進入量產時,您可能會發現發生故障的比例相當大。這是因為制造工藝產生器件間變異(part-to-part variation),并且一些器件接近限值。您應始終為電路設計最大輸入失調電壓。

      我們有時看到客戶忘記檢查電路在最壞情況下的限值:輸入失調電壓限值、CMRR限值、電阻網絡容差、溫度效應等。

      相較LM321和NCS20071通用運算放大器,新的由于其斬波穩定式結構,最大失調VOS = ±25μV(微伏)。失調電壓實際上產生多少差異?讓我們考慮這樣一種狀況:分路壓降為固定的50mV,如圖1所示。

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      圖1. 對比輸入失調電壓和由此產生的輸出偏移誤差。

      輸入失調電壓7 mV和3.5 mV的放大器具有明顯的輸出偏移誤差。

      我們可更仔細看看圖2中Vos=7 mv的示例。

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      圖2. 低邊電流檢測和輸入失調電壓造成輸出誤差

      通過選擇精密運放如NCS21911,輸入失調電壓造成的誤差在這電路示例中幾乎可忽略不計。它不僅提高了輸出精度,甚至還有一些余量來減小檢測電阻尺寸,并仍保持所需的精度。

      由于低失調電壓支持降低檢測電阻值,同時保持相同的精度,如圖3所示,效率得以大大提高。當檢測電阻尺寸減小時會發生什么?檢測電阻功耗更少,這意味著可以使用更低瓦特和更低成本的電阻,而物理尺寸更較小的檢測電阻最終占用PCB的空間更少,提高了系統的整體能效,減少了損耗。

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      圖3. 對比固定精度要求下輸入失調電壓和由此產生的分路壓降。分路壓降越小,效率越高。

      在許多應用中,流過檢測電阻器的負載電流是可變的。有時當客戶嘗試在0A附近進行電流測量時,他們發現誤差顯著增加;這是正常的,應該是預期的。當電流降至零時,誤差百分比變為無窮大。這電流檢測電路用于測量電流;不是用于在沒有電流時的精確測量。圖4顯示了精度如何隨著電流增加而提高。注意由于輸入失調電壓導致的誤差變化。即使當檢測電壓降低時,NCS21911的25μV偏移也支持相對精確的測量。

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      圖4. 由于輸入失調電壓造成的誤差

      似乎在效率和精密性上的小改進可以節省物料單、印刷電路板(PCB)成本和電費。雖然選擇較便宜的運算放大器可能會在前期省一些錢,但考慮到最終系統級的節省可能是您的優勢,通過采用價格合理的精密運算放大器。

      在許多應用中,通用運算放大器會正常工作。即使傳統的LM321也可在已設計相應電路的電流檢測應用中工作。記住,您應該預期相對較高的輸出誤差。或者,檢測電阻器的尺寸應當較大,以獲得比輸入失調電壓足夠大的壓降。

      對于低邊電流檢測,轉向精密運放提高了精度和系統能效。有一個標準輸出引腳,使其只需簡單插入就能替代通用運算放大器如LM321和NCS20071。



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