了解電阻電流檢測中的放大器失調電壓和輸出擺幅

2021-08-25

了解電阻電流檢測中的放大器失調電壓和輸出擺幅

我們討論了基于運算放大器的放大器以及專用電流檢測放大器可用于提高電流檢測電阻兩端的電壓。這些放大級并不理想，可能會在我們的測量中引入誤差。

在本文中，我們將討論放大器輸入失調電壓如何影響我們的測量精度。我們還將看到，在擇分流電阻值時，放大器輸出擺幅可能是一個關鍵因素。 

輸入失調電壓

理想情況下，當差分放大器的兩個輸入完全處于相同電位時，差分放大器的輸出應為零伏。然而，實際上，當輸入之間的電壓差很小時，輸出會變為零伏。這種不理想源于放大器內部組件之間的固有不匹配。

必須在放大器的輸入端子之間施加以使其輸出電壓為零伏特的電壓稱為輸入失調電壓。為了模擬這種非理想效應，我們可以將一個電壓源與放大器輸入之一串聯，并假設放大器是理想的并且具有零偏移電壓。如圖 1 所示。

圖 1 

在圖 1 中，灰色框內的電路代表集成電流檢測放大器。由于偏移電壓是由外部電壓源 V offset建模的，因此假設灰色框內的電路具有 0V 的偏移電壓，即 V A = V B 我們有 V out = 0。 偏移電壓的極性可以是正的也可以是負的。  

放大器失調電壓的誤差

考慮圖 2 所示的高端電流檢測圖。

圖2
放大器實際上檢測節點 A 和 B 之間的電壓。假設放大器的差分增益為 A d，我們有： 

Vout=Ad(VA?VB)=Ad(Voffset+Vshunt)

如果 V offset與 V shunt相當，則誤差可能很大。例如，當 V offset  = V shunt 時，誤差為 100%，計算如下： 

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

當 V shunt最小時，誤差最大。因此，為了從偏移電壓中找出最壞情況下的誤差，我們應該考慮負載電流 I load的最小值。

我們怎樣才能減少這個錯誤？

對于給定的負載電流范圍，我們可以增加分流電阻值以獲得更大的 V分流和/或使用具有較小偏移電壓的放大器。

但是，應該注意的是，增加分流電阻值會增加電阻消耗的功率。此外，更高瓦數的電阻器更昂貴并且需要更大的電路板面積。 

確定分流電阻的值

如上所述，在測量范圍低端的精度和分流電阻器消耗的功率之間存在折衷。通過選擇一個大的分流電阻器可以最大限度地提高精度。

但是，在大電流精密應用中，電流檢測電阻器消耗的功率會限制可以使用的最大電阻器值。在這種情況下，我們可以根據 R shunt的最大允許功耗選擇其最大值。如果為分流電阻預算的最大功耗為 P max，則最大分流值可以通過以下公式計算： 

Rshunt≤Pmax/I2load, max

等式 1 

我們還可以通過考慮負軌的輸出擺幅來找到 R分流器的下限。如果 V out, min 是保證放大器處于其線性工作區域的最小輸出電壓，我們可以找到 R shunt的最小值為：

Rshunt≥Vout, min/Iload, minAd

等式 2

分流電阻值計算示例

假設我們需要監控 40 mA 和 1 A 之間的負載電流。放大器的增益為 50，V out，max = 4.9 V，V out，min  = 100 mV。假設應用程序沒有限制分流電阻器消耗的功率，我們需要什么值的 R shunt？ 

為了最小化放大器失調電壓的誤差，我們應該選擇 R shunt的最大值。應用等式 1，我們得到： 

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

使用等式 2，我們可以找到 Rshunt 的最小值為：

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

應選擇此范圍內的最大標準值以最小化偏移誤差。選擇適當的 Rshunt 值后，我們可以通過應用以下等式來評估偏移誤差：

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

為了將誤差降低到所需水平，我們需要選擇輸入失調電壓足夠低的放大器。

我想把你的注意力吸引到這里的一個微妙點上。考慮到放大器的輸出擺幅限制，失調電壓定義是否存在矛盾？

失調電壓定義為必須施加在放大器輸入端子之間以使其輸出電壓為零伏的差分電壓；然而，單電源放大器的輸出不能真正擺動到地電位。

在測量非常小的電流時，這些細節可能很重要。  

確定單電源放大器的失調電壓

如上所述，當放大器的負軌接地時，其輸出只能接近地電位。如圖 3 所示。

圖 3 

在該圖中，藍色曲線顯示放大器輸出與施加到輸入的差分電壓的關系。

對于非常小的差分輸入值，輸出電壓達到 V out, min。由于輸出不會低于 V out, min，我們無法直接測量 V offset。

相反，我們可以在線性工作區域中將一條線擬合到傳遞函數曲線，并將這條線與水平軸的交點視為放大器的輸入偏移電壓。你可以想象，如果放大器是理想的，虛線將穿過原點。

我們現在可以找到虛線的方程并確定偏移電壓。如果 當輸入分別為 V diff1 和 V diff2時輸出為 V out1 和 V out2，我們可以找到 V offset為：

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

我們可以使用單電源放大器來測量非常小的電流嗎？

由于放大器的輸出擺幅限制，使用單電源放大器測量接近零的負載電流可能會引入不可接受的誤差。如圖 4 所示。

圖 4

為了避免這個問題，德州儀器 (TI)的參考設計“ 0-1A、單電源、低側、電流檢測解決方案參考設計”使用LM7705反相電荷泵為放大器的負電源軌生成 -0.23V 電源. 此參考設計基于分立解決方案，該解決方案使用運算放大器和外部增益設置電阻器，如圖 5 所示。

圖 5

根據上述參考資料，負電源必須至少比系統接地低 100 mV，以確保放大器呈現低至 0 V 的線性輸出。

另一種能夠測量小電流的技術如圖 6 所示。

圖 6

在這種情況下，V ref用于將直流值添加到輸出電壓。傳遞函數將變為：

Vout=Ad(VA?VB)+Vref

該技術還可用于通過單電源放大器檢測雙向負載電流（正負載電流和負負載電流）。根據所需的電流范圍，應選擇合適的 V ref值。