了解電阻電流檢測中的放大器失調(diào)電壓和輸出擺幅

放大器的輸入失調(diào)電壓如何影響電流檢測電阻的測量精度？放大器輸出擺幅如何影響分流電阻值？在此技術(shù)文章中了解這一點以及更多信息。

在之前的文章中，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。這些擴增級并不理想，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(diào)電壓如何影響測量精度。我們還將看到，放大器輸出擺幅可能是選擇分流電阻值時的關(guān)鍵因素。

輸入失調(diào)電壓

理想情況下，當(dāng)差分放大器的兩個輸入完全處于相同的電位時，其輸出應(yīng)為零伏。然而，實際上，當(dāng)輸入之間的電壓差很小時，輸出變?yōu)榱惴?。這種非理想性源于放大器內(nèi)部元件之間的固有不匹配。

放大器輸入端子之間必須施加的電壓使其輸出電壓達到零伏，稱為輸入失調(diào)電壓。為了模擬這種非理想效應(yīng)，我們可以將一個電壓源與其中一個放大器輸入串聯(lián)，并假設(shè)放大器是理想的并且具有零失調(diào)電壓。如圖

1 所示。

圖1

在圖1中，灰框內(nèi)的電路代表一個集成電流檢測放大器。由于失調(diào)電壓由外部電壓源V建模 抵消 ，假設(shè)灰盒內(nèi)的電路具有 0V 的失調(diào)電壓，即 V 一個 = V~B~~ ~我們有V 外 = 0。失調(diào)電壓的極性可以是正極或負極。

放大器失調(diào)電壓誤差

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(jié)點A和B之間的電壓。 假設(shè)差分增益為A。d對于放大器，我們有：

[V_{out} = A_d(V_A - V_B) = A_d(V_{offset} + V_{shunt})]

如果 V抵消與 V 相當(dāng) 分流 ，則錯誤可能很大。例如，使用 V 抵消 = V 分流 ，誤差為 100%，計算如下：

[Percentage~Error = \\frac{V_{sensed} - V_{shunt}}{V_{shunt}} \\times 100% = \\frac{(V_{offset} + V_{shunt}) - V_{shunt}}{V_{shunt}} \\times 100% = 100%]

當(dāng) V分流是最低要求。因此，為了從失調(diào)電壓中找到最壞情況的誤差，我們應(yīng)該考慮負載電流I的最小值 負荷 .

我們?nèi)绾螠p少此錯誤？

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/或使用失調(diào)電壓較小的放大器。

但是，應(yīng)該注意的是，增加分流電阻值會增加電阻的功耗。此外，更高功率的電阻器更昂貴，并且需要更大的電路板面積。

確定分流電阻器的值

如上所述，測量范圍低端的精度與分流電阻的功耗之間存在權(quán)衡。通過選擇大分流電阻器，可以最大限度地提高精度。

然而，在高電流精密應(yīng)用中，電流檢測電阻的功耗會限制可以使用的最大電阻值。在這種情況下，我們可以選擇 R 的最大值分流基于其最大允許功耗。如果分流電阻器預(yù)算的最大功耗為P .max ，最大分流值可由下式計算：

R 的最大值分流也可以通過放大器輸出擺幅限制為正電源軌。放大器的擺幅限制取決于用于為放大器供電的電源電壓以及放大器的輸出級。

雖然軌到軌放大器的輸出可以非常接近電源軌，但實際上無法到達電源軌。即使使用軌到軌放大器，輸出擺幅也可能被限制在與電源軌相距數(shù)百毫伏的范圍內(nèi)，具體取決于技術(shù)。

放大器的輸出擺幅限制還取決于流過輸出級的電流電平。必須查閱放大器數(shù)據(jù)手冊，以確定放大器輸出端的可用擺幅。

如果 V輸出，最大是放大器輸出級保持在其線性工作區(qū)域的最大電壓，則最大分流值可由下式計算：

我們還可以找到R的下限分流通過考慮輸出擺幅至負電源軌。如果 V出，分鐘是保證放大器處于其線性工作區(qū)域的最小輸出電壓，我們可以找到R 的最小值分流如：

分流電阻值計算示例

假設(shè)我們需要監(jiān)控 40 mA 和 1 A 之間的負載電流。放大器的增益為 50， V 輸出，最大 = 4.9 V 和 V 出，分鐘 = 100 mV。假設(shè)應(yīng)用沒有限制分流電阻的功耗，R的值是多少分流我們需要嗎？

為了最小化放大器失調(diào)電壓的誤差，我們應(yīng)該選擇R的最大值 分流 .應(yīng)用等式1，我們得到：

使用公式 2，我們可以找到 Rshunt 的最小值為：

應(yīng)選擇此范圍內(nèi)的最大標(biāo)準(zhǔn)值，以最小化失調(diào)誤差。選擇合適的 Rshunt 值后，我們可以通過應(yīng)用以下公式來評估偏移誤差：

為了將誤差降低到所需水平，我們需要選擇具有足夠低輸入失調(diào)電壓的放大器。

我想提請你注意一個微妙的點?？紤]到放大器的輸出擺幅限制，失調(diào)電壓定義是否存在矛盾？

失調(diào)電壓定義為必須在放大器的輸入端子之間施加的差分電壓，以使其輸出電壓達到零伏;但是，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(jié)可能很重要。

確定單電源放大器的失調(diào)電壓

如上所述，當(dāng)放大器的負電源軌接地時，其輸出只能接近地電位。如圖 3 所示。

圖3

在此圖中，藍色曲線表示放大器輸出與施加到輸入端的差分電壓的關(guān)系。

對于非常小的差分輸入值，輸出電壓達到V 出，分鐘 .由于輸出不低于 V 出，分鐘 ，我們不能直接測量V 抵消 .

相反，我們可以將一條線擬合到線性工作區(qū)域中的傳遞函數(shù)曲線，并將這條線與水平軸的交點視為放大器的輸入失調(diào)電壓。您可以想象，如果放大器是理想的，虛線將穿過原點。

現(xiàn)在，我們可以找到虛線的公式并確定失調(diào)電壓。如果輸出為 V輸出1和 V輸出2當(dāng)輸入分別為 V 時差異1和 V 差異2 ，我們可以找到V抵消如：

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. *圖片由德州儀器提供。

為避免此問題，德州儀器 （TI） 的參考設(shè)計“0-1A、單電源、低側(cè)、電流檢測解決方案參考設(shè)計”使用 LM7705 反相電荷泵為放大器的負電源軌產(chǎn)生

-0.23V 電源。該參考設(shè)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(shè)置電阻，如圖5所示。

***圖5. *圖片由德州儀器提供。

根據(jù)上述基準(zhǔn)電壓源，負電源必須至少比系統(tǒng)地電壓低100 mV，以確保放大器具有低至0 V的線性輸出。

另一種能夠測量小電流的技術(shù)如圖6所示。

圖6

在這種情況下，V裁判用于將直流值添加到輸出電壓中。傳遞函數(shù)將更改為：

該技術(shù)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(jù)所需的電流范圍，V 的適當(dāng)值裁判應(yīng)該選擇。

結(jié)論

放大器輸入失調(diào)電壓會影響測量范圍低端的精度。為了減小這個誤差，我們應(yīng)該最大化分流電阻值。

但是，分流值可能受到預(yù)算功率和放大器輸出端可用擺幅的限制。在測量接近零的負載電流時，輸出擺幅限制也會引入誤差。