了解综合解决方案如何提高电阻式电流传感器的精度（贴主推荐）

2022-6-11 10:47:31 25160 电流传感器

0 在本文中，我们将讨论为什么离散实现不能提供高精度的电阻式电流传感一个离散的放大器连同一些外部增益设置电阻可以用来通过电流检测电阻器获得电压。虽然这种离散的解决方案可以具有成本效益，但由于外部组件的匹配有限，它们不能提供高精度。使用高精度电阻网络的尝试可以抵消使用一个简单的离散解决方案可能节省的成本。电阻式电流传感的离散实现在前一篇文章中，我们讨论了基于运算放大器的非逆变配置可以用来检测和获得跨越低端电流检测电阻器的电压。所述非逆变结构具有单端输入并且感知其相对于地的输入电压。这就是为什么我们不能使用这个放大器在一个高端传感配置。另一方面，经典的差分放大器具有差分输入。由于它能够感知并联电阻器上的电压降，而不是节点相对于地的电压降，因此它可以用于低端和高端电流传感应用，如图1所示。在本文中，我们将讨论两个重要的误差来源，可以影响精度时，使用差分放大器。图1。在(a)低端和(b)高端电流传感中使用差分放大器共模抑制比比率: 一个关键特征共模抑制比比是指差分输入放大器拒绝两个输入端共有的信号的能力。放大器的传递函数可以表示为: vout=Admvd+Acmvcvout=Admvd+Acmvc 等式1 其中(A _ { dm })和(v _ { d })分别是放大器的微分模式增益和放大器输入处的微分信号。类似地，(a _ { cm })和(v _ { c })是应用于放大器的共模增益和共模信号。根据方程1，出现在放大器输出端的电压是输入端共模值的函数。在图1(b)中，我们理想地期望输出是差分信号 Vshunt 的函数。然而，实际上，输出也是电源电压 V 电源的函数。当我们改变 v 电源时，放大器输入端的共模信号随之改变，放大器的输出电压也随之改变。即使我们保持 Vshunt 恒定，也会发生这种情况。为了减少这种非理想效应，我们需要使共模增益 Acm 远小于差模增益 adm。共模抑制比比(cMRR) ，定义为差分增益除以共模增益，指定了放大器在放大差分信号时拒绝共模信号的能力。离散的实现具有较低的 CMRR考虑图2所示的差分放大器。图2 对于理想的运算放大器，差分放大器的传递函数由以下方式给出: vout=R4R1×R1+R2R3+R4×vA−R2R1×vBvout=R4R1×R1+R2R3+R4×vA−R2R1×vB For R2R1=R4R3R2R1=R4R3, we have: vout=R2R1(vA−vB)vout=R2R1(vA−vB Equation 2.方程式2 这个方程表明，任何共模电压都会被放大器完全抑制，即当(v _ { A } = v _ { B })时，我们得到(v _ { out } = 0)。然而，在实际应用中，差分放大器的共模抑制比会受到限制，因为它的比值(frc { R _ {2}{ R _ {1}})不会完全等于(frc { R _ {4}}{ R _ {3}})。可以证明，差分放大器的共模抑制比由以下方式给出: CMRR≃Ad+14tCMRR≃Ad+14 方程式3 其中(A _ { d })是差分放大器的微分增益等于(frac { R _ {2}}{ R _ {1}}) ，t 是电阻公差。例如，使用1% 和0.1% 的电阻的微分增益，我们有: CMRR≃Ad+14t=1+14×0.001=500CMRR≃Ad+14t=1+14×0.001=500 用 dB 表示这个值，我们得到的 CMRR 大约为54 dB。注意，方程3是基于假设运算放大器是理想的，有一个非常高的共模抑制比推导出来的。如果运算放大器的共模抑制比不大于从公式3得到的值，我们将需要使用一个更复杂的公式。集成解决方案可能导致高 CMRR因此，即使有一个理想的运算放大器，差分放大器的共模抑制比相对较低，并受到增益设置电阻匹配的限制。为了解决这个问题，我们可以使用一系列匹配的电阻网络，比如 LT5400。LT5400是一个四电阻网络，具有0.005% 的优异匹配性，可用于创建具有高共模抑制比的差分放大器，如图3所示。使用匹配的电阻网络，大约80分贝的共模抑制比应该是可以实现的。图3。电阻阵列可以用来制造具有很高共模抑制比的差分放大器一个离散的放大器连同一些外部增益设置电阻可能被认为是一个低成本的电流测量解决方案。然而，正如你所看到的，增益设置电阻的匹配决定了放大器的共模抑制比。尝试使用一个单独的高精度电阻网络可以抵消成本节省一个人可能期望使用一个简单的差分放大器。与使用精密运放和单独的电阻网络不同，我们可以使用一种完全单片的解决方案，例如模拟设备公司的 AMP03，该解决方案将激光修整的电阻集成到精密运放封装中，以实现电阻之间的高匹配性。这样的集成解决方案可以获得大于100分贝的 CMRR。另一个误差来源: 增益设置电阻的温度漂移增益整定电阻的温度漂移是影响测量精度的另一个因素。如上所述，增益设置电阻的公差决定了放大器在室温下的初始精度。然而，为了使电阻比保持不变，电阻器在工作温度范围内应该表现出相似的行为。为了更好地理解温度漂移如何产生增益误差，让我们考虑一个例子。假设方程2中的电阻值 R1 = 5kΩ，R2 = 100kΩ。此外，假设电阻器的温度系数为 ± 50 ppm/° c，而环境温度可以高于参考温度(室温)100 ° c。微分增益的最大值和最小值是多少(分数{ R _ {2}}{ R _ {1}}) ？当温度高于参考温度100 °C 时，电阻值可以改变 ± 50 ppm/° C，改变幅度为 ± 0.5% 。因此，最大微分增益由以下方式给出: Adm,max=R2,maxR1,min=100×(1+0.005)5×(1−0.005)=20.20Adm,max=R2,maxR1,min=100×(1+0.005)5×(1−0.005)=20.20 获得最小增益的方法是: Adm,max=R2,minR1,max=100×(1−0.005)5×(1+0.005)=19.80Adm,max=R2,minR1,max=100×(1−0.005)5×(1+0.005)=19.80 请注意，电阻可以在相反的方向漂移。在这个例子中，1% 的增益误差仅仅是由漂移效应引起的，因为我们假设电阻在室温下有它们的标称值。有趣的是，使用一个匹配的电阻网络，如 LT5400或完全单片电流检测解决方案，集成电阻可以表现出接近完美的匹配两个初始误差和温度漂移。图5说明了这一点。图4 在这个图中，橙线指定了单个 ± 50 ppm/° C 电阻器的值随温度从参考温度(20 ° C)向任一方向变化的变化限值。红色曲线表示匹配电阻阵列的四个集成电阻器的温度特性。虽然来自匹配电阻网络的单个电阻的温度系数为 ± 50 ppm/° c，但四个集成电阻的温度特性非常匹配。随着温度的变化，电阻值相互跟踪。这些匹配的电阻器允许我们在工作温度范围内保持放大器增益相对恒定。结论一个离散的放大器连同一些外部增益设置电阻可以用来通过电流检测电阻器获得电压。虽然这种离散的解决方案可以具有成本效益，但由于外部组件的匹配有限，它们不能提供高精度。增益设置电阻的匹配决定了放大器的共模抑制比。为了获得较高的共模抑制比，需要对电阻的初始误差和温度漂移进行近似完美的匹配。这就是为什么在 CMRR 方面，集成解决方案可以轻易地击败离散实现的原因。请注意，尝试使用一个单独的高精度电阻网络可以抵消成本节省一个人可能期望使用一个简单的离散解决方案。白纪龙老师从事电子行业已经有15个年头，到目前为止已开发过的产品超上百款，目前大部分都已经量产上市，从2018年开始花了5年的时间，潜心录制了上千集的实战级电子工程师系列课程，该课程从元器件到核心模块到完整产品老白的初心是“愿天下工程师不走弯路” 课程链接：https://t.elecfans.com/teacher/159.html 0 1654914404525.jpg (912.28 KB, 下载次数: 0)
2022-6-11 10:47:31　　评论淘帖0 举报相关推荐 • 了解集成解决方案如何提高电阻电流检测的精度 1443 • 晶体管式电流传感器的识别 1148 • 皮尔森卡钳式电流传感器的选型指南 683 • 如何测量电流传感器的精度? 687 • 比较HEV/EV中基于采样电阻和基于霍尔传感器的隔离式电流检测解决方案 0 • 如何使用光纤作为隔离式电流传感器 637 • 隔离式电流传感器解决电路、安全问题 0 • 想了解霍尔电流传感器，想了解开环霍尔电流传感器和闭环电流传感器的区别及应用的请点这里 6612 • 开口式电流传感器-航智CIT系列 9 • 磁探针式电流传感器 25