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

我們常發(fā)現(xiàn)客戶將通用運(yùn)算放大器如LM321用于電流檢測(cè)應(yīng)用。這是數(shù)十年來(lái)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(wú)數(shù)應(yīng)用。然而，有時(shí)同樣的客戶又向我們反饋，說(shuō)這些運(yùn)算放大器在其電流檢測(cè)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(cè)應(yīng)用需要精密。電流檢測(cè)通常用于電源管理和過(guò)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100A觸發(fā)的過(guò)流電路，卻發(fā)現(xiàn)保護(hù)電路在150A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。

一個(gè)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VOS =±7mV（最大值），現(xiàn)代通用運(yùn)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(shuō)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)，您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)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。

我們有時(shí)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(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)VOS = ±25μV（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50mV，如圖1所示。

圖1. 對(duì)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(xì)看看圖2中Vos=7 mv的示例。

圖2. 低邊電流檢測(cè)和輸入失調(diào)電壓造成輸出誤差

通過(guò)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(lái)減小檢測(cè)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(cè)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(cè)電阻尺寸減小時(shí)會(huì)發(fā)生什么？檢測(cè)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(cè)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(duì)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(guò)檢測(cè)電阻器的負(fù)載電流是可變的。有時(shí)當(dāng)客戶嘗試在0A附近進(jìn)行電流測(cè)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(wú)窮大。這電流檢測(cè)電路用于測(cè)量電流；不是用于在沒有電流時(shí)的精確測(cè)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(cè)電壓降低時(shí)，NCS21911的25μV偏移也支持相對(duì)精確的測(cè)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(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(huì)在前期省一些錢，但考慮到最終系統(tǒng)級(jí)的節(jié)省可能是您的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)采用價(jià)格合理的精密運(yùn)算放大器。

在許多應(yīng)用中，通用運(yùn)算放大器會(huì)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(cè)應(yīng)用中工作。記住，您應(yīng)該預(yù)期相對(duì)較高的輸出誤差?；蛘?，檢測(cè)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(duì)于低邊電流檢測(cè)，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(jiǎn)單插入就能替代通用運(yùn)算放大器如LM321和NCS20071。