通用运算放大器并不能用于所有用途：精密的准确性和成本效益

本文作者：Farhana Sarder
 
我们常发现客户将通用运算放大器如LM321用于电流检测应用。这是数十年来一直在使用的传统运算放大器之一。这些传统运算放大器成本低，用于无数应用。然而，有时同样的客户又向我们反馈，说这些运算放大器在其电流检测电路中出现故障。当我们查看退回的运算放大器单元时，它们按预期工作。那么问题出在哪里？
 
因为运算放大器是“通用的”并不意味着“可用于所有用途”。电流检测应用需要精密。电流检测通常用于电源管理和过流保护应用。想象一个不精确的世界。当您的手机电量快耗尽时，电量指示可能是8%。您可能设计在100A触发的过流电路，却发现保护电路在150A才启动，所有下游器件都被损坏。这就是通用和精密的区别。
 
一个精密运算放大器的关键是输入失调电压。其共模抑制比(CMRR)和电源抑制比(PSRR)也有更好的规格，但这两个参数都可当作随共模电压或电源电压变化的输入失调电压。什么是输入失调电压？输入失调电压是每一个运算放大器输入的固有偏置，是由于制造工艺引起的输入晶体管轻微失配。在学校时，我们了解到理想的运放具有零输入失调电压，但我们知道在现实世界不是这样。
 
传统通用运算放大器如LM321有VOS =±7mV（最大值），现代通用运算放大器如NCS20071有VOS =±3.5 mV（最大值）。此最大规格分布在零附近。这说明大多时候随机选择的器件将表现出近零的偏置。您可以确信，您的原型电路与常用的LM321一起完美工作，但当电路进入量产时，您可能会发现发生故障的比例相当大。这是因为制造工艺产生器件间变异(part-to-part variation)，并且一些器件接近限值。您应始终为电路设计最大输入失调电压。
 
我们有时看到客户忘记检查电路在最坏情况下的限值:输入失调电压限值、CMRR限值、电阻网络容差、温度效应等。
 
相较LM321和NCS20071通用运算放大器，新的NCS21911精密运算放大器由于其斩波稳定式结构，最大失调VOS = ±25µV（微伏）。失调电压实际上产生多少差异？让我们考虑这样一种状况：分路压降为固定的50mV，如图1所示。
 

图1. 对比输入失调电压和由此产生的输出偏移误差。

输入失调电压7 mV和3.5 mV的放大器具有明显的输出偏移误差。

我们可更仔细看看图2中Vos=7 mv的示例。
 

图2. 低边电流检测和输入失调电压造成输出误差

通过选择精密运放如NCS21911，输入失调电压造成的误差在这电路示例中几乎可忽略不计。它不仅提高了输出精度，甚至还有一些余量来减小检测电阻尺寸，并仍保持所需的精度。
 
由于低失调电压支持降低检测电阻值，同时保持相同的精度，如图3所示，效率得以大大提高。当检测电阻尺寸减小时会发生什么？检测电阻功耗更少，这意味着可以使用更低瓦特和更低成本的电阻，而物理尺寸更较小的检测电阻最终占用PCB的空间更少，提高了系统的整体能效，减少了损耗。
 

图3. 对比固定精度要求下输入失调电压和由此产生的分路压降。分路压降越小，效率越高。

在许多应用中，流过检测电阻器的负载电流是可变的。有时当客户尝试在0A附近进行电流测量时，他们发现误差显著增加；这是正常的，应该是预期的。当电流降至零时，误差百分比变为无穷大。这电流检测电路用于测量电流；不是用于在没有电流时的精确测量。图4显示了精度如何随着电流增加而提高。注意由于输入失调电压导致的误差变化。即使当检测电压降低时，NCS21911的25µV偏移也支持相对精确的测量。
 

图4. 由于输入失调电压造成的误差

似乎在效率和精密性上的小改进可以节省物料单、印刷电路板(PCB)成本和电费。虽然选择较便宜的运算放大器可能会在前期省一些钱，但考虑到最终系统级的节省可能是您的优势，通过采用价格合理的精密运算放大器。
 
在许多应用中，通用运算放大器会正常工作。即使传统的LM321也可在已设计相应电路的电流检测应用中工作。记住，您应该预期相对较高的输出误差。或者，检测电阻器的尺寸应当较大，以获得比输入失调电压足够大的压降。
 
对于低边电流检测，转向精密运放提高了精度和系统能效。NCS21911精密运算放大器有一个标准输出引脚，使其只需简单插入就能替代通用运算放大器如LM321和NCS20071。