通用運(yùn)算放大器并不能用于所有用途：精密的準(zhǔn)確性和成本效益

　　Farhana Sarder （安森美半導(dǎo)體）

　　摘要：客戶將通用運(yùn)算放大器用于電流檢測應(yīng)用，因?yàn)槌杀镜?。然而在?a class="contentlabel" href="http://2s4d.com/news/listbylabel/label/電流檢測">電流檢測電路中有時(shí)會出現(xiàn)故障。當(dāng)供貨商查看退回的運(yùn)算放大器單元時(shí)，發(fā)現(xiàn)它們按預(yù)期工作。其原因是：“通用的”并不意味著“可用于所有用途”。電流檢測應(yīng)用需要更精密。

　　關(guān)鍵詞：運(yùn)算放大器；電流檢測；準(zhǔn)確性

　　客戶常將通用運(yùn)算放大器如LM321用于電流檢測應(yīng)用。這是數(shù)十年來一直在使用的傳統(tǒng)運(yùn)算放大器之一。這些傳統(tǒng)運(yùn)算放大器成本低，用于無數(shù)應(yīng)用。然而，有時(shí)同樣的客戶又向我們反饋，說這些運(yùn)算放大器在其電流檢測電路中出現(xiàn)故障。當(dāng)我們查看退回的運(yùn)算放大器單元時(shí)，它們按預(yù)期工作。那么問題出在哪里？

　　因?yàn)檫\(yùn)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(yīng)用需要精密。電流檢測通常用于電源管理和過流保護(hù)應(yīng)用。想象一個(gè)不精確的世界。當(dāng)您的手機(jī)電量快耗盡時(shí)，電量指示可能是8%。您可能設(shè)計(jì)在100 A觸發(fā)的過流電路，卻發(fā)現(xiàn)保護(hù)電路在150 A才啟動(dòng)，所有下游器件都被損壞。這就是通用和精密的區(qū)別。

　　精密運(yùn)算放大器的關(guān)鍵是輸入失調(diào)電壓。其共模抑制比(CMRR)和電源抑制比(PSRR)也有更好的規(guī)格，但這兩個(gè)參數(shù)都可當(dāng)作隨共模電壓或電源電壓變化的輸入失調(diào)電壓。什么是輸入失調(diào)電壓？輸入失調(diào)電壓是每一個(gè)運(yùn)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(xué)校時(shí)，我們了解到理想的運(yùn)放具有零輸入失調(diào)電壓，但我們知道在現(xiàn)實(shí)世界不是這樣。

　　傳統(tǒng)通用運(yùn)算放大器如LM321有V OS =±7 mV（最大值），現(xiàn)代通用運(yùn)算放大器如NCS20071有V OS =±3.5 mV（最大值）。此最大規(guī)格分布在零附近。這說明大多時(shí)候隨機(jī)選擇的器件將表現(xiàn)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(dāng)電路進(jìn)入量產(chǎn)時(shí)，發(fā)生故障的比例相當(dāng)大。這是因?yàn)橹圃旃に嚠a(chǎn)生器件間變異(part-to-part variation)，并且一些器件接近限值。您應(yīng)始終為電路設(shè)計(jì)最大輸入失調(diào)電壓。

　　有時(shí)忘記檢查電路在最壞情況下的限值：輸入失調(diào)電壓限值、CMRR限值、電阻網(wǎng)絡(luò)容差、溫度效應(yīng)等。

　　相較LM321和NCS20071通用運(yùn)算放大器，新的NCS21911精密運(yùn)算放大器由于其斬波穩(wěn)定式結(jié)構(gòu)，最大失調(diào)V OS = ±25 μV（微伏）。失調(diào)電壓實(shí)際上產(chǎn)生多少差異？讓我們考慮這樣一種狀況：分路壓降為固定的50 mV，如圖1所示。

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

　　更仔細(xì)看看圖2中Vos=7 mV的示例。

　　通過選擇精密運(yùn)放如NCS21911，輸入失調(diào)電壓造成的誤差在這電路示例中幾乎可忽略不計(jì)。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(diào)電壓支持降低檢測電阻值，同時(shí)保持相同的精度，如圖3所示，效率得以大大提高。當(dāng)檢測電阻尺寸減小時(shí)會發(fā)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(tǒng)的整體能效，減少了損耗。

　　在許多應(yīng)用中，流過檢測電阻器的負(fù)載電流是可變的。有時(shí)當(dāng)客戶嘗試在0 A附近進(jìn)行電流測量時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)誤差顯著增加；這是正常的，應(yīng)該是預(yù)期的。當(dāng)電流降至零時(shí)，誤差百分比變?yōu)闊o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(shí)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(diào)電壓導(dǎo)致的誤差變化。即使當(dāng)檢測電壓降低時(shí)，NCS21911的25 μV偏移也支持相對精確的測量。

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

　　在許多應(yīng)用中，通用運(yùn)算放大器會正常工作。即使傳統(tǒng)的LM321也可在已設(shè)計(jì)相應(yīng)電路的電流檢測應(yīng)用中工作。記住，輸出誤差應(yīng)該預(yù)期相對較高。或者，檢測電阻器的尺寸應(yīng)當(dāng)較大，以獲得比輸入失調(diào)電壓足夠大的壓降。

　　對于低邊電流檢測，轉(zhuǎn)向精密運(yùn)放提高了精度和系統(tǒng)能效。NCS21911精密運(yùn)算放大器有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)輸出引腳，使其只需簡單插入就能替代通用運(yùn)算放大器如LM321和NCS20071。

　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第7期第21頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處