我們常發現客戶將通用運算放大器如LM321用于電流檢測應用。這是數十年來一直在使用的傳統運算放大器之一。這些傳統運算放大器成本低，用于無數應用。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故障。當我們查看退回的運算放大器單元時，它們按預期工作。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”。電流檢測應用需要精密。電流檢測通常用于電源管理和過流保護應用。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%。您可能設計在100A觸發的過流電路，卻發現保護電路在150A才啟動，所有下游器件都被損壞。這就是通用和精密的區別。
一個精密運算放大器的關鍵是輸入失調電壓。其共模抑制比(CMRR)和電源抑制比(PSRR)也有更好的規格，但這兩個參數都可當作隨共模電壓或電源電壓變化的輸入失調電壓。什么是輸入失調電壓？輸入失調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電壓，但我們知道在現實世界不是這樣。
傳統通用運算放大器如LM321有VOS =±7mV（最大值），現代通用運算放大器如NCS20071有VOS =±3.5 mV（最大值）。此最大規格分布在零附近。這說明大多時候隨機選擇的器件將表現出近零的偏置。您可以確信，您的原型電路與常用的LM321一起完美工作，但當電路進入量產時，您可能會發現發生故障的比例相當大。這是因為制造工藝產生器件間變異(part-to-part variation)，并且一些器件接近限值。您應始終為電路設計最大輸入失調電壓。
我們有時看到客戶忘記檢查電路在最壞情況下的限值:輸入失調電壓限值、CMRR限值、電阻網絡容差、溫度效應等。
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定式結構，最大失調VOS = ±25µV（微伏）。失調電壓實際上產生多少差異？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. 對比輸入失調電壓和由此產生的輸出偏移誤差。
輸入失調電壓7 mV和3.5 mV的放大器具有明顯的輸出偏移誤差。
輸入失調電壓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電壓造成輸出誤差
通過選擇精密運放如NCS21911，輸入失調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電壓和由此產生的分路壓降。分路壓降越小，效率越高。
在許多應用中，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，他們發現誤差顯著增加；這是正常的，應該是預期的。當電流降至零時，誤差百分比變為無窮大。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。注意由于輸入失調電壓導致的誤差變化。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. 由于輸入失調電壓造成的誤差
似乎在效率和精密性上的小改進可以節省物料單、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，但考慮到最終系統級的節省可能是您的優勢，通過采用價格合理的精密運算放大器。
在許多應用中，通用運算放大器會正常工作。即使傳統的LM321也可在已設計相應電路的電流檢測應用中工作。記住，您應該預期相對較高的輸出誤差。或者，檢測電阻器的尺寸應當較大，以獲得比輸入失調電壓足夠大的壓降。
對于低邊電流檢測，轉向精密運放提高了精度和系統能效。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。
關于安森美半導體
安森美半導體(ON Semiconductor，美國納斯達克上市代號：ON)致力于推動高能效電子的創新，使客戶能夠減少全球的能源使用。安森美半導體領先于供應基于半導體的方案，提供全面的高能效電源管理、模擬、傳感器、邏輯、時序、互通互聯、分立、系統單芯片(SoC)及定制器件陣容。公司的產品幫助工程師解決他們在汽車、通信、計算機、消費電子、工業、醫療、航空及國防應用的獨特設計挑戰。公司運營敏銳、可靠、世界一流的供應鏈及品質項目，一套強有力的守法和道德規范計劃，及在北美、歐洲和亞太地區之關鍵市場運營包括制造廠、銷售辦事處及設計中心在內的業務網絡。更多信息請訪問http://www.onsemi.cn。
• 請關注官方微博@安森美半導體
• 請關注官方微信。請搜微信號onsemi-china或掃描二維碼
