广告

通用运算放大器并不能用于所有用途:精密的准确性和成本效益

2019-08-07 Farhana Sarder 阅读:
通用运算放大器并不能用于所有用途:精密的准确性和成本效益
我们常发现客户将通用运算放大器如LM321用于电流检测应用。这是数十年来一直在使用的传统运算放大器之一。这些传统运算放大器成本低,用于无数应用。然而,有时同样的客户又向我们反馈,说这些运算放大器在其电流检测电路中出现故障。当我们查看退回的运算放大器单元时,它们按预期工作。那么问题出在哪里?

我们常发现客户将通用运算放大器如LM321用于电流检测应用。这是数十年来一直在使用的传统运算放大器之一。这些传统运算放大器成本低,用于无数应用。然而,有时同样的客户又向我们反馈,说这些运算放大器在其电流检测电路中出现故障。当我们查看退回的运算放大器单元时,它们按预期工作。那么问题出在哪里?68Hednc

因为运算放大器是“通用的”并不意味着“可用于所有用途”。电流检测应用需要精密。电流检测通常用于电源管理和过流保护应用。想象一个不精确的世界。当您的手机电量快耗尽时,电量指示可能是8%。您可能设计在100A触发的过流电路,却发现保护电路在150A才启动,所有下游器件都被损坏。这就是通用和精密的区别。68Hednc

一个精密运算放大器的关键是输入失调电压。其共模抑制比(CMRR)和电源抑制比(PSRR)也有更好的规格,但这两个参数都可当作随共模电压或电源电压变化的输入失调电压。什么是输入失调电压?输入失调电压是每一个运算放大器输入的固有偏置,是由于制造工艺引起的输入晶体管轻微失配。在学校时,我们了解到理想的运放具有零输入失调电压,但我们知道在现实世界不是这样。68Hednc

传统通用运算放大器如LM321有VOS =±7mV(最大值),现代通用运算放大器如NCS20071有VOS =±3.5 mV(最大值)。此最大规格分布在零附近。这说明大多时候随机选择的器件将表现出近零的偏置。您可以确信,您的原型电路与常用的LM321一起完美工作,但当电路进入量产时,您可能会发现发生故障的比例相当大。这是因为制造工艺产生器件间变异(part-to-part variation),并且一些器件接近限值。您应始终为电路设计最大输入失调电压。68Hednc

我们有时看到客户忘记检查电路在最坏情况下的限值:输入失调电压限值、CMRR限值、电阻网络容差、温度效应等。68Hednc

相较LM321和NCS20071通用运算放大器,新的NCS21911精密运算放大器由于其斩波稳定式结构,最大失调VOS = ±25µV(微伏)。失调电压实际上产生多少差异?让我们考虑这样一种状况:分路压降为固定的50mV,如图1所示。68Hednc

006ednc2019080768Hednc

图1. 对比输入失调电压和由此产生的输出偏移误差。68Hednc

输入失调电压7 mV和3.5 mV的放大器具有明显的输出偏移误差。68Hednc

我们可更仔细看看图2中Vos=7 mv的示例。68Hednc

007ednc2019080768Hednc

图2. 低边电流检测和输入失调电压造成输出误差68Hednc

通过选择精密运放如NCS21911,输入失调电压造成的误差在这电路示例中几乎可忽略不计。它不仅提高了输出精度,甚至还有一些余量来减小检测电阻尺寸,并仍保持所需的精度。68Hednc

由于低失调电压支持降低检测电阻值,同时保持相同的精度,如图3所示,效率得以大大提高。当检测电阻尺寸减小时会发生什么?检测电阻功耗更少,这意味着可以使用更低瓦特和更低成本的电阻,而物理尺寸更较小的检测电阻最终占用PCB的空间更少,提高了系统的整体能效,减少了损耗。68Hednc

008ednc2019080768Hednc

图3. 对比固定精度要求下输入失调电压和由此产生的分路压降。分路压降越小,效率越高。68Hednc

在许多应用中,流过检测电阻器的负载电流是可变的。有时当客户尝试在0A附近进行电流测量时,他们发现误差显著增加;这是正常的,应该是预期的。当电流降至零时,误差百分比变为无穷大。这电流检测电路用于测量电流;不是用于在没有电流时的精确测量。图4显示了精度如何随着电流增加而提高。注意由于输入失调电压导致的误差变化。即使当检测电压降低时,NCS21911的25µV偏移也支持相对精确的测量。68Hednc

009ednc2019080768Hednc

图4. 由于输入失调电压造成的误差68Hednc

似乎在效率和精密性上的小改进可以节省物料单、印刷电路板(PCB)成本和电费。虽然选择较便宜的运算放大器可能会在前期省一些钱,但考虑到最终系统级的节省可能是您的优势,通过采用价格合理的精密运算放大器。68Hednc

在许多应用中,通用运算放大器会正常工作。即使传统的LM321也可在已设计相应电路的电流检测应用中工作。记住,您应该预期相对较高的输出误差。或者,检测电阻器的尺寸应当较大,以获得比输入失调电压足够大的压降。68Hednc

对于低边电流检测,转向精密运放提高了精度和系统能效。NCS21911精密运算放大器有一个标准输出引脚,使其只需简单插入就能替代通用运算放大器如LM321和NCS20071。68Hednc

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
  • 用功率MOSFET制作线性放大器有何风险? 利用功率MOSFET制造线性放大器,可能发生两个问题:在元件封装的栅极引脚与栅极本身之间具有串联的电阻路径,电阻路径位于半导体内部,由嵌入式多晶硅通道组成;功率MOSFET是非常高速的元件,如果将放在线性工作区域,可能会突发寄生RF振荡。
  • 了解相位散布的破坏效应 对于AM收音机来说,音频信号通常都可以在接收端得到很好的复现,但是也并非总是如此。比如,有时播音员说话听起来好像打了30秒喷嚏一般。那么,这到底是为什么?
  • 宽禁带生态系统:快速开关和颠覆性的仿真环境 宽禁带材料实现了较当前硅基技术的飞跃。它们的大带隙导致较高的介电击穿,从而降低了导通电阻(RSP)。 更高的电子饱和速度支持高频设计和工作,降低的漏电流和更好的导热性有助于高温下的工作。
  • 如何通过相关数据手册,选择正确的部件 “哇!那个ADC的信噪比好高!”这就是客户面对高信噪比ADC时的反应,他只注意到这个比较突出的特性,却忘记考虑其他重要的数据规格。
  • 修理AC小家电时,意外发现的惊人事实…… 我们在电子工程领域太常使用“接地”这个名词,都忘了它主要的意义以及关键功能所在...
  • 通用快速充电:电池供电应用的未来趋势 设计一个单芯片充电器集成电路(IC)来为不同配置和不同输入电压范围的多个电池供电设备充电是一个复杂的过程,因为传统适配器不能与所有电池供电设备兼容,且传统USB适配器的功率限制在5-15 W,因此限制了它们将支持的便携式电池供电设备。
广告
热门推荐
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
面包芯语
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了