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在低壓側電流傳感中使用單端放大器:誤差源和布局技巧

發布人:電子資料庫時間:2022-09-07來源:工程師

學習如何在低端電流感應中使用單端放大器,包括PCB布局提示和注意事項,以及基于SOT23封裝中運算放大器的布局示例。

在本文第一部分討論了通用運算放大器的非逆變結構可用于低壓側電流檢測。受文章啟發鈥如何為高性能、低側電流傳感設計布局PCB“本文試圖進一步闡明在低側電流傳感中使用單端放大器時可能影響測量的誤差來源。

單端放大器在低壓側電流檢測中的應用

低壓側傳感的主要優點是可以使用相對簡單的配置來放大并聯電阻器上的電壓。例如,通用運算放大器的非逆變配置可以是成本敏感的電機控制應用的有效選擇,這些應用需要能夠在消費市場空間中競爭。

基于非逆變配置的電路圖如所示圖1 .

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圖1

然而,這種低成本的解決方案可能會受到幾種不同的誤差源的影響。為了精確測量電流,我們需要考慮任何可能影響電路敏感節點的非理想效應,如放大器輸入端。我們將在下面更詳細地討論這個問題。

微量電阻

誤差的一個重要來源是與R串聯的PCB跡線的寄生電阻分流器. 自R分流器在毫歐姆范圍內有一個很小的值,任何與R串聯的寄生電阻分流器可能導致重大錯誤。用R來模擬這種寄生電阻迷路,我們在中獲得示意圖圖2 .

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圖2

根據應用程序,我負載可以高達幾百安培。因此,即使R值很小迷路會產生相當大的誤差電壓V錯誤. 這個誤差電壓將被放大器的增益放大并出現在輸出端。

由于銅電阻的溫度系數相當高(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,雜散電阻會在溫度變化較大的系統中產生與溫度有關的誤差。降低誤差電壓V錯誤,我們應該避免長的痕跡來最小化R迷路 .

值得一提的是,一個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,非反轉配置具有單端輸入。它感測節點A相對于地的電壓。然而,一個差分放大器有一個差分輸入,并感測R上的電壓分流器. 如中所示圖3 .

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圖3

差分放大器的傳遞函數由下式給出:

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

由于放大器的差分輸入感測分流電阻器上的電壓,來自PCB軌跡的電阻不會產生誤差。在以后的文章中,我們將更詳細地研究差分放大器的配置。

焊接性

另一個誤差源是與感測電阻串聯出現的焊接電阻。如中所示圖4 .

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圖4

在此圖中,負載電流沿紅色箭頭方向從左向右流動。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A點和B點之間的電壓差。感測電阻的實際值為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。

當使用一個小的并聯電阻時,誤差變得顯著。例如,使用0.5 mΩ并聯電阻器和I負載=20 A, the焊接電阻誤差可高達22%. 為了解決這個問題,放大器的輸入應該直接連接到分流電阻上,而不是連接到載流軌跡上。圖5顯示了一個可以給出更準確結果的示例布局。

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圖5

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

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

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

因為我放大器比我小得多負載,我們有:

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

方程式1

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

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圖6

注意電流I負載不經過R返回源焊料2. 測量電壓為:

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因為我放大器比我少很多負載. 這種技術通常被稱為開爾文傳感在許多應用領域都有應用。它使我們能夠精確測量阻抗。采用開爾文傳感技術的其他一些PCB布局如所示圖7 .

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圖7圖片(改編)由TI公司.

您可以在中找到更復雜的Kelvin連接布局示例鈥通過改進低值并聯電阻的焊盤布局優化高電流傳感精度“來自模擬設備

您可能想知道圖5和圖7可以得到更精確的測量結果嗎?應該注意的是,這個問題很難回答,因為結果取決于您在設計中使用的電阻。在報告電阻器的標稱值時,不同的電阻器制造商可能使用不同的測量位置。

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

嘈雜的地面

圖8顯示了另一個錯誤來源:嘈雜的地面。

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圖8

我們討論了由于非逆變配置具有單端輸入,因此它測量節點a相對于地的電壓。假設我們的電路板有一個專用的地平面。我們可以把一個過孔放在離R很近的地方分流器使B點保持在系統地電位上,并使PCB跟蹤電阻的誤差最小。另一個敏感節點是節點C。任何耦合到節點C的信號都將被放大并出現在輸出端。因此,我們還需要保持節點C處于地電位。

但是,假設地面有噪聲并且一些電流流過接地層,如中所示圖8. 這將導致節點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。

假設節點B保持在地電位,與接地電流的電壓差將出現在節點C,并在輸出端引入誤差。為避免此錯誤,建議使用PCB布局,使節點B和C彼此非常接近。

把它們放在一起

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


圖9

注意,開爾文連接用于感應并聯電阻器上的電壓。另外,請注意R的地面側 one和R分流器彼此非??拷?。請記住,開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驗,以確定適合您的設計布局。


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關鍵詞: 傳感器 放大器

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