在低壓側(cè)電流傳感中使用單端放大器：誤差源和布局技巧

學(xué)習(xí)如何在低端電流感應(yīng)中使用單端放大器，包括PCB布局提示和注意事項(xiàng)，以及基于SOT23封裝中運(yùn)算放大器的布局示例。

在本文第一部分討論了通用運(yùn)算放大器的非逆變結(jié)構(gòu)可用于低壓側(cè)電流檢測(cè)。受文章啟發(fā)鈥如何為高性能、低側(cè)電流傳感設(shè)計(jì)布局PCB“本文試圖進(jìn)一步闡明在低側(cè)電流傳感中使用單端放大器時(shí)可能影響測(cè)量的誤差來(lái)源。

低壓側(cè)傳感的主要優(yōu)點(diǎn)是可以使用相對(duì)簡(jiǎn)單的配置來(lái)放大并聯(lián)電阻器上的電壓。例如，通用運(yùn)算放大器的非逆變配置可以是成本敏感的電機(jī)控制應(yīng)用的有效選擇，這些應(yīng)用需要能夠在消費(fèi)市場(chǎng)空間中競(jìng)爭(zhēng)。

基于非逆變配置的電路圖如所示圖1 .

圖1

然而，這種低成本的解決方案可能會(huì)受到幾種不同的誤差源的影響。為了精確測(cè)量電流，我們需要考慮任何可能影響電路敏感節(jié)點(diǎn)的非理想效應(yīng)，如放大器輸入端。我們將在下面更詳細(xì)地討論這個(gè)問(wèn)題。

誤差的一個(gè)重要來(lái)源是與R串聯(lián)的PCB跡線的寄生電阻分流器. 自R分流器在毫歐姆范圍內(nèi)有一個(gè)很小的值，任何與R串聯(lián)的寄生電阻分流器可能導(dǎo)致重大錯(cuò)誤。用R來(lái)模擬這種寄生電阻迷路，我們?cè)谥蝎@得示意圖圖2 .

圖2

根據(jù)應(yīng)用程序，我負(fù)載可以高達(dá)幾百安培。因此，即使R值很小迷路會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的誤差電壓V錯(cuò)誤. 這個(gè)誤差電壓將被放大器的增益放大并出現(xiàn)在輸出端。

由于銅電阻的溫度系數(shù)相當(dāng)高（約0.4%/°C），R值迷路因此，誤差電壓可以隨溫度變化很大。因此，雜散電阻會(huì)在溫度變化較大的系統(tǒng)中產(chǎn)生與溫度有關(guān)的誤差。降低誤差電壓V錯(cuò)誤，我們應(yīng)該避免長(zhǎng)的痕跡來(lái)最小化R迷路 .

值得一提的是，一個(gè)更有效的解決方案可以消除R迷路是使用不同的放大器而不是非反相配置。從中可以看出圖2，非反轉(zhuǎn)配置具有單端輸入。它感測(cè)節(jié)點(diǎn)A相對(duì)于地的電壓。然而，一個(gè)差分放大器有一個(gè)差分輸入，并感測(cè)R上的電壓分流器. 如中所示圖3 .

圖3

差分放大器的傳遞函數(shù)由下式給出：

vout=R2R1(vA?vB)=R2R1Vshuntvout=R2R1(vA?vB)=R2R1Vshunt

由于放大器的差分輸入感測(cè)分流電阻器上的電壓，來(lái)自PCB軌跡的電阻不會(huì)產(chǎn)生誤差。在以后的文章中，我們將更詳細(xì)地研究差分放大器的配置。

另一個(gè)誤差源是與感測(cè)電阻串聯(lián)出現(xiàn)的焊接電阻。如中所示圖4 .

圖4

在此圖中，負(fù)載電流沿紅色箭頭方向從左向右流動(dòng)。垂直跡線將分流電阻器連接到放大器輸入端（In和In-）。因此，放大器感測(cè)A點(diǎn)和B點(diǎn)之間的電壓差。感測(cè)電阻的實(shí)際值為R分流器2R公司焊料. 焊接電阻可以在幾百微歐姆的范圍內(nèi)。

當(dāng)使用一個(gè)小的并聯(lián)電阻時(shí)，誤差變得顯著。例如，使用0.5 mΩ并聯(lián)電阻器和I負(fù)載=20 A, the焊接電阻誤差可高達(dá)22%. 為了解決這個(gè)問(wèn)題，放大器的輸入應(yīng)該直接連接到分流電阻上，而不是連接到載流軌跡上。圖5顯示了一個(gè)可以給出更準(zhǔn)確結(jié)果的示例布局。

圖5

在這種情況下，有一對(duì)電路板用于連接分流器另一對(duì)用于連接R分流器到放大器輸入端。在大電流應(yīng)用中，由放大器（I放大器)比我少很多負(fù)載. 這就是為什么上面的布局可以減少來(lái)自焊接電阻的誤差。

為了更好地理解這種技術(shù)，讓我們比較兩種情況下的感應(yīng)電壓。布局如所示圖4，感測(cè)電壓為：

vA?vB=(Rshunt+2Rsolder1)×(Iload+Iamp)vA?vB=(Rshunt+2Rsolder1)×(Iload+Iamp)

因?yàn)槲曳糯笃鞅任倚〉枚嘭?fù)載，我們有：

vA?vB≈(Rshunt+2Rsolder1)×Iload=RshuntIload+2Rsolder1IloadvA?vB≈(Rshunt+2Rsolder1)×Iload=RshuntIload+2Rsolder1Iload

這給出了2R的誤差電壓焊料1我負(fù)載. 里面的布局呢圖5? 此布局的電路圖如下所示：

圖6

注意電流I負(fù)載不經(jīng)過(guò)R返回源焊料2. 測(cè)量電壓為：

vC?vD=Rshunt×(Iload+Iamp)+2Rsolder2Iamp≈RshuntIload+Rsolder2IampvC?vD=Rshunt×(Iload+Iamp)+2Rsolder2Iamp≈RshuntIload+Rsolder2Iamp

在這種情況下，誤差是2R焊料2我放大器這比方程式1因?yàn)槲曳糯笃鞅任疑俸芏嘭?fù)載. 這種技術(shù)通常被稱為開(kāi)爾文傳感在許多應(yīng)用領(lǐng)域都有應(yīng)用。它使我們能夠精確測(cè)量阻抗。采用開(kāi)爾文傳感技術(shù)的其他一些PCB布局如所示圖7 .

您可以在中找到更復(fù)雜的Kelvin連接布局示例鈥通過(guò)改進(jìn)低值并聯(lián)電阻的焊盤布局優(yōu)化高電流傳感精度“來(lái)自模擬設(shè)備

您可能想知道圖5和圖7可以得到更精確的測(cè)量結(jié)果嗎？應(yīng)該注意的是，這個(gè)問(wèn)題很難回答，因?yàn)榻Y(jié)果取決于您在設(shè)計(jì)中使用的電阻。在報(bào)告電阻器的標(biāo)稱值時(shí)，不同的電阻器制造商可能使用不同的測(cè)量位置。

例如，如果電阻器制造商測(cè)量了焊盤內(nèi)部的電阻，則圖7（a）可以給我們更精確的測(cè)量。

圖8顯示了另一個(gè)錯(cuò)誤來(lái)源：嘈雜的地面。

我們討論了由于非逆變配置具有單端輸入，因此它測(cè)量節(jié)點(diǎn)a相對(duì)于地的電壓。假設(shè)我們的電路板有一個(gè)專用的地平面。我們可以把一個(gè)過(guò)孔放在離R很近的地方分流器使B點(diǎn)保持在系統(tǒng)地電位上，并使PCB跟蹤電阻的誤差最小。另一個(gè)敏感節(jié)點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)C。任何耦合到節(jié)點(diǎn)C的信號(hào)都將被放大并出現(xiàn)在輸出端。因此，我們還需要保持節(jié)點(diǎn)C處于地電位。

但是，假設(shè)地面有噪聲并且一些電流流過(guò)接地層，如中所示圖8. 這將導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)B和C之間的電位差，而我們理想地期望它們處于相同的電位。

假設(shè)節(jié)點(diǎn)B保持在地電位，與接地電流的電壓差將出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)C，并在輸出端引入誤差。為避免此錯(cuò)誤，建議使用PCB布局，使節(jié)點(diǎn)B和C彼此非常接近。

圖9顯示了一個(gè)考慮到上述因素的布局示例。此示例布局基于SOT中的運(yùn)算放大器 twenty-three包裹

注意，開(kāi)爾文連接用于感應(yīng)并聯(lián)電阻器上的電壓。另外，請(qǐng)注意R的地面?zhèn)?one和R分流器彼此非?？拷Ｕ?qǐng)記住，開(kāi)爾文連接有幾種不同的焊盤布局。您可能需要咨詢電阻器制造商或做一些實(shí)驗(yàn)，以確定適合您的設(shè)計(jì)布局。