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 12:02:34 Farhana Sarder 阅读:
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?hLpednc

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。hLpednc

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。hLpednc

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。hLpednc

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。hLpednc

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。hLpednc

006ednc20190807hLpednc

图1. 对比输入失调电压和由此产生的输出偏移误差。hLpednc

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。hLpednc

我们可更仔细看看图2中Vos=7 mv的示例。hLpednc

007ednc20190807hLpednc

图2. 低边电流检测和输入失调电压造成输出误差hLpednc

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。hLpednc

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。hLpednc

008ednc20190807hLpednc

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。hLpednc

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。hLpednc

009ednc20190807hLpednc

图4. 由于输入失调电压造成的误差hLpednc

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。hLpednc

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。hLpednc

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。hLpednc

  • 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”
  • 仿真器智能,工程师更聪明! 不要过度依赖SPICE仿真器的自动设定,因为过度相信自动化有时可能引发错误。请记得:仿真器智能,工程师更聪明!
  • 给电子设计初学者的一些实用技巧 本文将为初学者提供一些实用的布局、提示和技巧,可以帮助您避免事故或解决各种问题。该系列将不定期发布。
  • MP1584降压电路官方手册有坑?资深工程师分享常用DC-DC 在最初使用MP1584降压电路时,发现照着芯片手册的官方给出的参数去设置,发现还是有坑的,经过修改后,目前这个降压电路已经使用了很多年,经过几千产品量的打板实践,个人感觉还是算稳定的。为了帮助大家避开官方手册以及其他的一些坑,笔者特地撰文与大家分享一个常用的DC-DC的电路设计……
  • 模拟信号是怎么转换成数字信号的? 带宽有限(band-limited) 采样频率大于2倍信号最高频率后可以无失真的恢复出原始信号。实际中,信号往往是无线带宽的,如何保证带宽有限?所以,我们在模拟信号输入端要加一个低通滤波器,使信号变成带宽有限,再使用2.5~3倍的最高信号频率进行采样。关于此我们下面将模拟数字转换过程将会看到。
  • USB供电的5.8GHz RF LNA接收器,带输出功率保护功能 图1所示的电路来自高性能RF接收器系统,具有+23dB增益,优化之后,支持采用5.8GHz中心频率。其输入未经滤波,保持2dB噪声系数,但输出端配有带通滤波器,会衰减带外干扰。
  • 利用LM386音频放大器设计无线电接收器电路 LM386音频放大器IC可用于设计简单的无线电接收器电路,并且这些电路还能提供惊人的高性能。这些电路可用于接收中、短波波段的AM、CW和SSB射频传输,而不需要外部天线。
  • 新推出的同步SAR模数转换器的片内校准优势 本文评估在电阻模数转换器(ADC)前面的外部电阻的影响。这些系列的同步采样ADC包括一个高输入阻抗电阻可编程增益放大器(PGA),用于驱动ADC和缩放输入信号,允许直接连接传感器。但是,有几个原因导致在设计期间,我们最终会在模拟输入前面增加外部电阻。以下部分从理论上解释预期的增益误差,该误差与电阻大小呈函数关系,且介绍最小化这些误差的几种方式。本文还研究电阻公差和不同的校准选项对ADC输入阻抗的影响。除理论研究之外,还使用试验台测量和比较几种设备,以证明片内增益校准功能能实现出色精度。增益校准功能使广泛前端电阻值的系统误差低于0.05%,无需执行任何校准例程,只需对每个通道的单个寄存器执行写操作即可。
  • 采用晶振控制的斜坡发生器 本项目源于需要为HP 8620C射频扫频振荡器产生线性晶体控制斜坡信号。它的灵感来自之前发布的斜坡发生器设计。这种设计存在两个问题:它使用了非标准的16.384MHz晶体振荡器;其斜坡的下降/返回/消隐时间为零。
  • 具有扩展范围的电容数字转换器 电容传感器广泛用于各种工业应用,例如液位监测、压力测量、位置检测、流量计、湿度检测等。ΣΔ (Sigma-Delta)电容数字转换器(CDC)用方波激励未知电容,并将产生的电荷转换成单位数字输出流。然后,由数字滤波器处理位流,输出精确的低噪声电容测量值。
  • 给变压器烙铁DIY一个温度“稳定器” 多年来,我一直对变压器烙铁头的没有温度控制而感到恼火。可能所有使用变压器烙铁的用户都注意到,使用这种烙铁进行焊接需要大量练习,以免因温度过高而造成损失。问题在于无法控制烙铁头温度,我决定稍微DIY一下。
  • 高清音频的重大突破:优化TWS耳机的音频传输和播放 随着对高清(HD)音频的兴趣不断攀升,对具有高级功能的高清TWS耳机的巨大需求正达到顶峰。本文介绍了高清音乐传输背后的技术,以及音频设计人员如何满足日益增长的需求。
  • 拆解:苹果AirTag追踪器 有人猜到这次要拆解什么产品吗?当然是苹果的AirTag追踪设备。既然之前都已经拆解了Tile Mate,当然也只有对AirTag进行同样的检查才算公平,对吧?
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