了解電(diàn)阻電(diàn)流检测中的放大器失调電(diàn)压和输出摆幅

2021-08-25

了解電(diàn)阻電(diàn)流检测中的放大器失调電(diàn)压和输出摆幅

我们讨论了基于运算放大器的放大器以及专用(yòng)電(diàn)流检测放大器可(kě)用(yòng)于提高電(diàn)流检测電(diàn)阻两端的電(diàn)压。这些放大级并不理(lǐ)想，可(kě)能(néng)会在我们的测量中引入误差。

在本文(wén)中，我们将讨论放大器输入失调電(diàn)压如何影响我们的测量精度。我们还将看到，在择分(fēn)流電(diàn)阻值时，放大器输出摆幅可(kě)能(néng)是一个关键因素。 

输入失调電(diàn)压

理(lǐ)想情况下，当差分(fēn)放大器的两个输入完全处于相同電(diàn)位时，差分(fēn)放大器的输出应為(wèi)零伏。然而，实际上，当输入之间的電(diàn)压差很(hěn)小(xiǎo)时，输出会变為(wèi)零伏。这种不理(lǐ)想源于放大器内部组件之间的固有(yǒu)不匹配。

必须在放大器的输入端子之间施加以使其输出電(diàn)压為(wèi)零伏特的電(diàn)压称為(wèi)输入失调電(diàn)压。為(wèi)了模拟这种非理(lǐ)想效应，我们可(kě)以将一个電(diàn)压源与放大器输入之一串联，并假设放大器是理(lǐ)想的并且具有(yǒu)零偏移電(diàn)压。如图 1 所示。

图 1 

在图 1 中，灰色框内的電(diàn)路代表集成電(diàn)流检测放大器。由于偏移電(diàn)压是由外部電(diàn)压源 V offset建模的，因此假设灰色框内的電(diàn)路具有(yǒu) 0V 的偏移電(diàn)压，即 V A = V B 我们有(yǒu) V out = 0。 偏移電(diàn)压的极性可(kě)以是正的也可(kě)以是负的。  

放大器失调電(diàn)压的误差

考虑图 2 所示的高端電(diàn)流检测图。

图2
放大器实际上检测节点 A 和 B 之间的電(diàn)压。假设放大器的差分(fēn)增益為(wèi) A d，我们有(yǒu)： 

Vout=Ad(VA−VB)=Ad(Voffset+Vshunt)

如果 V offset与 V shunt相当，则误差可(kě)能(néng)很(hěn)大。例如，当 V offset  = V shunt 时，误差為(wèi) 100%，计算如下： 

Percentage Error=(Vsensed−Vshunt)/Vshunt×100%=[(Voffset+Vshunt)−Vshunt]/Vshunt×100%=100%

当 V shunt最小(xiǎo)时，误差最大。因此，為(wèi)了从偏移電(diàn)压中找出最坏情况下的误差，我们应该考虑负载電(diàn)流 I load的最小(xiǎo)值。

我们怎样才能(néng)减少这个错误？

对于给定的负载電(diàn)流范围，我们可(kě)以增加分(fēn)流電(diàn)阻值以获得更大的 V分(fēn)流和/或使用(yòng)具有(yǒu)较小(xiǎo)偏移電(diàn)压的放大器。

但是，应该注意的是，增加分(fēn)流電(diàn)阻值会增加電(diàn)阻消耗的功率。此外，更高瓦数的電(diàn)阻器更昂贵并且需要更大的電(diàn)路板面积。 

确定分(fēn)流電(diàn)阻的值

如上所述，在测量范围低端的精度和分(fēn)流電(diàn)阻器消耗的功率之间存在折衷。通过选择一个大的分(fēn)流電(diàn)阻器可(kě)以最大限度地提高精度。

但是，在大電(diàn)流精密应用(yòng)中，電(diàn)流检测電(diàn)阻器消耗的功率会限制可(kě)以使用(yòng)的最大電(diàn)阻器值。在这种情况下，我们可(kě)以根据 R shunt的最大允许功耗选择其最大值。如果為(wèi)分(fēn)流電(diàn)阻预算的最大功耗為(wèi) P max，则最大分(fēn)流值可(kě)以通过以下公式计算： 

Rshunt≤Pmax/I2load, max

等式 1 

我们还可(kě)以通过考虑负轨的输出摆幅来找到 R分(fēn)流器的下限。如果 V out, min 是保证放大器处于其線(xiàn)性工作區(qū)域的最小(xiǎo)输出電(diàn)压，我们可(kě)以找到 R shunt的最小(xiǎo)值為(wèi)：

Rshunt≥Vout, min/Iload, minAd

等式 2

分(fēn)流電(diàn)阻值计算示例

假设我们需要监控 40 mA 和 1 A 之间的负载電(diàn)流。放大器的增益為(wèi) 50，V out，max = 4.9 V，V out，min  = 100 mV。假设应用(yòng)程序没有(yǒu)限制分(fēn)流電(diàn)阻器消耗的功率，我们需要什么值的 R shunt？ 

為(wèi)了最小(xiǎo)化放大器失调電(diàn)压的误差，我们应该选择 R shunt的最大值。应用(yòng)等式 1，我们得到： 

Rshunt≤Vout, max/Iload, maxAd=4.91/50=98 mΩ

使用(yòng)等式 2，我们可(kě)以找到 Rshunt 的最小(xiǎo)值為(wèi)：

Rshunt≥Vout, min/Iload, minAd=0.1/(0.04×50)=50 mΩ

应选择此范围内的最大标准值以最小(xiǎo)化偏移误差。选择适当的 Rshunt 值后，我们可(kě)以通过应用(yòng)以下等式来评估偏移误差：

Percentage Error=[(Voffset+Vshunt)−Vshunt]/Vshunt×100%=Voffset/(Rshunt×Iload, min)×100%

為(wèi)了将误差降低到所需水平，我们需要选择输入失调電(diàn)压足够低的放大器。

我想把你的注意力吸引到这里的一个微妙点上。考虑到放大器的输出摆幅限制，失调電(diàn)压定义是否存在矛盾？

失调電(diàn)压定义為(wèi)必须施加在放大器输入端子之间以使其输出電(diàn)压為(wèi)零伏的差分(fēn)電(diàn)压；然而，单電(diàn)源放大器的输出不能(néng)真正摆动到地電(diàn)位。

在测量非常小(xiǎo)的電(diàn)流时，这些细节可(kě)能(néng)很(hěn)重要。  

确定单電(diàn)源放大器的失调電(diàn)压

如上所述，当放大器的负轨接地时，其输出只能(néng)接近地電(diàn)位。如图 3 所示。

图 3 

在该图中，蓝色曲線(xiàn)显示放大器输出与施加到输入的差分(fēn)電(diàn)压的关系。

对于非常小(xiǎo)的差分(fēn)输入值，输出電(diàn)压达到 V out, min。由于输出不会低于 V out, min，我们无法直接测量 V offset。

相反，我们可(kě)以在線(xiàn)性工作區(qū)域中将一条線(xiàn)拟合到传递函数曲線(xiàn)，并将这条線(xiàn)与水平轴的交点视為(wèi)放大器的输入偏移電(diàn)压。你可(kě)以想象，如果放大器是理(lǐ)想的，虚線(xiàn)将穿过原点。

我们现在可(kě)以找到虚線(xiàn)的方程并确定偏移電(diàn)压。如果 当输入分(fēn)别為(wèi) V diff1 和 V diff2时输出為(wèi) V out1 和 V out2，我们可(kě)以找到 V offset為(wèi)：

Voffset=Vdiff1−(Vdiff2−Vdiff1)/(Vout2−Vout1)×Vout1

我们可(kě)以使用(yòng)单電(diàn)源放大器来测量非常小(xiǎo)的電(diàn)流吗？

由于放大器的输出摆幅限制，使用(yòng)单電(diàn)源放大器测量接近零的负载電(diàn)流可(kě)能(néng)会引入不可(kě)接受的误差。如图 4 所示。

图 4

為(wèi)了避免这个问题，德州仪器 (TI)的参考设计“ 0-1A、单電(diàn)源、低侧、電(diàn)流检测解决方案参考设计”使用(yòng)LM7705反相電(diàn)荷泵為(wèi)放大器的负電(diàn)源轨生成 -0.23V 電(diàn)源. 此参考设计基于分(fēn)立解决方案，该解决方案使用(yòng)运算放大器和外部增益设置電(diàn)阻器，如图 5 所示。

图 5

根据上述参考资料，负電(diàn)源必须至少比系统接地低 100 mV，以确保放大器呈现低至 0 V 的線(xiàn)性输出。

另一种能(néng)够测量小(xiǎo)電(diàn)流的技术如图 6 所示。

图 6

在这种情况下，V ref用(yòng)于将直流值添加到输出電(diàn)压。传递函数将变為(wèi)：

Vout=Ad(VA−VB)+Vref

该技术还可(kě)用(yòng)于通过单電(diàn)源放大器检测双向负载電(diàn)流（正负载電(diàn)流和负负载電(diàn)流）。根据所需的電(diàn)流范围，应选择合适的 V ref值。