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在大学中学完同相和反向放大电路,经过组合,就可以形成经典的差动放大电路,下图所示的电路是教科书四十多年来一直在介绍的
当R1=R2,R3=R4,这放大器的传递函数就很简单,电路设计很简单。
当该放大器的通用传递函数,是比较复杂的
电路设计需要考虑R1和R2适配的精度,运放的失调电压的影响。(V2-V1)差值大小的影响
电路的设计要求:一个电流采样电路,工作电流是1A到10A,运放型号是ADI的AD822
首先分析,当(V2-V1)*R2/R1相乘结果一样的时候,V2-V1分别等于1mV和10mV的区别,也是分析采样电阻R10取值大还是取值小好一些。
理论输出电压希望是0.1V。显然下方左图的误差是0.23%,右图的误差几乎是0
这种误差主要是Vos带来的,当放大倍数Gain越大,Vos*Gain引起的误差就远大
比如AD822的最大失调电压Vos=0.8mV,当R10=1mΩ,在电流为1A的时候,其检测电压才为1mV,这个检测电压和失调电压Vos十分接近,从而会造成采样错误。
所以较大的采样电阻可在给定电流量下使差分输入信号达到最大,并减小失调电压的误差影响,但要考虑采样电阻的功耗,毕竟在给定电流量下,采样电阻阻值越大,功耗就越高。
需要考虑R2和R1的匹配性,即使是千分之一精度的电阻,带来的误差就会很大。
通过50次蒙特卡罗的仿真,电阻的采样精度是0.1%,可以看到,输出电压在85mV到125mV之间变化。如果进一步通过直方图分析,70%以上的输出电压值在100mV左右。最大值和最小值的极限值产生的概率比较少。
而且商用四端电阻(比如Ohmite或Vishay的产品)就很有可能需要数元或更昂贵,才能提供 0.1%容差和极低温度系数。如果设计的时候不加考虑,选择通用的1%精度的电阻,那么输出电压的变化范围更大,不仅在标称输出电压100mV的概率很低,而且出现了很多意料之外的极限值。这也说明了R1和R2,R3和R4完全匹配的重要性。
重点强调,如果一定要使用单个运放组成差分放大电路,那么四端电阻,一定要选用0.1%精度以上的电阻,才能保证输出电压的一致性,检测电路的准确性。
既然四端电阻如此重要,而且价格又比较昂贵。那么就可以将该电阻集成到芯片内部。尽管芯片内部激光刻蚀电阻的精度很低,但是可以保证R2/R1的比值和R4/R3的比值完全保证一致,这个是芯片设计的优势。所以专用的差分放大器和电流检测放大器就产生了,比如TI的INA180,内部就是标准的差动放大电路。
随后通过仿真,INA180A3的放大倍数是100倍,采样电压是1mV,最终输出电压是101.55mV,误差是1.55%。看起来误差比较小,但是芯片可以保证输出电压的一致性,解决四端电阻匹配度差带来的误差。
那使用这个芯片是否就划算了。TI官网显示这个芯片才买9美分,也就是6毛钱。在公司集中采购应该会更便宜。
一般的0.1%电阻价格是1%电阻25倍,单个价格也达到了7分多钱,四个电阻加一起差不多要3毛钱。当然嘉立创上面的价格会贵一些,公司采购估计只需要一两毛钱。再加上一个LM356,也是1毛钱左右,总共成本应该也不会超过3毛钱。这样看起来使用四端电阻+运放组成的差分电路,性能和价钱比专用芯片INA180A3的优势没有那么大,而且PCB空间还大。所以实际项目中,两种方案具体对比选择。
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