通用運算放大器并不能用于所有用途：精密的準確性和成本效益

我們常發(fā)現(xiàn)客戶將通用運算放大器如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)運算放大器之一。這些傳統(tǒng)運算放大器成本低，用于無數(shù)應(yīng)用。然而，有時同樣的客戶又向我們反饋，說這些運算放大器在其電流檢測電路中出現(xiàn)故障。當我們查看退回的運算放大器單元時，它們按預(yù)期工作。那么問題出在哪里？

因為運算放大器是“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應(yīng)用。想象一個不精確的世界。當您的手機電量快耗盡時，電量指示可能是8%。您可能設(shè)計在100A觸發(fā)的過流電路，卻發(fā)現(xiàn)保護電路在150A才啟動，所有下游器件都被損壞。這就是通用和精密的區(qū)別。

一個精密運算放大器的關(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，但這兩個參數(shù)都可當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)電壓是每一個運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。在學校時，我們了解到理想的運放具有零輸入失調(diào)電壓，但我們知道在現(xiàn)實世界不是這樣。

傳統(tǒng)通用運算放大器如LM321有VOS =±7mV（最大值），現(xiàn)代通用運算放大器如NCS20071有VOS =±3.5 mV（最大值）。此最大規(guī)格分布在零附近。這說明大多時候隨機選擇的器件將表現(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，但當電路進入量產(chǎn)時，您可能會發(fā)現(xiàn)發(fā)生故障的比例相當大。這是因為制造工藝產(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)計最大輸入失調(diào)電壓。

我們有時看到客戶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通用運算放大器，新的NCS21911精密運算放大器由于其斬波穩(wěn)定式結(jié)構(gòu)，最大失調(diào)VOS = ±25μV（微伏）。失調(diào)電壓實際上產(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50mV，如圖1所示。

圖1. 對比輸入失調(diào)電壓和由此產(chǎn)生的輸出偏移誤差。

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。

我們可更仔細看看圖2中Vos=7 mv的示例。

圖2. 低邊電流檢測和輸入失調(diào)電壓造成輸出誤差

通過選擇精密運放如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。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，同時保持相同的精度，如圖3所示，效率得以大大提高。當檢測電阻尺寸減小時會發(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。

圖3. 對比固定精度要求下輸入失調(diào)電壓和由此產(chǎn)生的分路壓降。分路壓降越小，效率越高。

在許多應(yīng)用中，流過檢測電阻器的負載電流是可變的。有時當客戶嘗試在0A附近進行電流測量時，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。當電流降至零時，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。即使當檢測電壓降低時，NCS21911的25μV偏移也支持相對精確的測量。

圖4. 由于輸入失調(diào)電壓造成的誤差

似乎在效率和精密性上的小改進可以節(jié)省物料單、印刷電路板(PCB)成本和電費。雖然選擇較便宜的運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，通過采用價格合理的精密運算放大器。

在許多應(yīng)用中，通用運算放大器會正常工作。即使傳統(tǒng)的LM321也可在已設(shè)計相應(yīng)電路的電流檢測應(yīng)用中工作。記住，您應(yīng)該預(yù)期相對較高的輸出誤差。或者，檢測電阻器的尺寸應(yīng)當較大，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)向精密運放提高了精度和系統(tǒng)能效。NCS21911精密運算放大器有一個標準輸出引腳，使其只需簡單插入就能替代通用運算放大器如LM321和NCS20071。