鉅大LARGE | 點擊量:968次 | 2019年11月20日
工程師設(shè)計分析:影響電流檢測精確度的幾種規(guī)范
在電流檢測領(lǐng)域,牢固掌握電流檢測的基礎(chǔ)知識,了解電流檢測所使用的一些器件,知道如何計算某種解決方案的精確度以及印制電路板(pCB)布局和問題檢修的一些指導(dǎo)原則都非常有用。本文將為您詳細(xì)介紹影響某種解決方案精確度的一些規(guī)范,這些規(guī)范包括輸入補償電壓(Vos)、共模抑制比(CMRR)和電源抑制比(pSRR)。
精確度
分流器測量的系統(tǒng)精確度會受到許多誤差源的影響,其中一些如表1所示。方程式1表明了極端系統(tǒng)精確度情況。
eq1
其中,Sworst-case(%)為每個誤差源的誤差貢獻(xiàn)度。但是,一種更為實際的系統(tǒng)精確度計算方法是,將無關(guān)聯(lián)誤差寫成一個和的平方根(RSS),如方程式2所示。
eq2
表一:系統(tǒng)級誤差源。
由于表1所列大部分誤差均為輸入?yún)⒖?RTI),因此我們最好是就輸入方面來對精確度進(jìn)行討論。參考器件輸入的誤差乘以器件增益,得到其對輸出的影響程度。
輸入補償電壓
輸入補償電壓一般為影響某種解決方案精確度的最大因素。它的定義是“一個必須施加于輸入端之間以強制靜態(tài)DC輸出電壓為零或者其他規(guī)定電平的DC電壓”。放大器的理想Vos為0V。但是,工藝差異和器件設(shè)計限制等原因,會導(dǎo)致Vos不為零。
所有輸入?yún)⒖颊`差均根據(jù)理想分流器電壓計算得到。理想分流器電壓應(yīng)為負(fù)載電流和理想電阻器值的乘積。系統(tǒng)中,標(biāo)稱負(fù)載電流為5A,理想關(guān)聯(lián)電阻器值為1mΩ,則器件Vos規(guī)范的誤差貢獻(xiàn)程度計算方法如方程式3所示。假設(shè)我們決定使用INA170,其最大Vos規(guī)范為1mV。
eq3
要想減小這種誤差,我們有兩種方法:增加Rshunt電阻,或者降低Vos(max)。增加Rshunt電阻方法是否可行,取決于成本、電路板空間或者功耗情況。另外,我們也可以嘗試找到一種具有更低Vos的替代器件。
最后,需要注意的是,負(fù)載電流與誤差成反比關(guān)系。在我們的例子中,標(biāo)稱負(fù)載電流為5A時,計算得20%。如果系統(tǒng)負(fù)載電流減少,則Vos規(guī)范產(chǎn)生的有效誤差增加。因此,設(shè)計人員應(yīng)在最小負(fù)載電流下計算極端誤差。
共模抑制比
在介紹CMRR以前,我們需要重新復(fù)習(xí)一下輸入共模電壓知識。放大器的輸入共模電壓為兩個輸入端的共用平均電壓。盡管這樣說確實沒有錯,但最好還是將分流器電壓同共模電壓區(qū)分開來。通過定義Vid(差動輸入電壓),可以達(dá)到這個目標(biāo)。在電流檢測應(yīng)用中,它還可以被看作是分流器電壓。圖1顯示了輸入共模電壓的另一種定義,其使用了差動輸入電壓。圖1還再次提出了差模增益(Adm)的概念。差動放大器的理想輸出為差動輸入電壓和差模增益的乘積。
圖1:共模電壓另一種定義。(差模增益,差動放大器,)
CMRR可影響電流檢測解決方案的精確度。它是器件共模信號抑制能力的度量標(biāo)準(zhǔn)。這很重要,因為共模信號會以差動信號的形式出現(xiàn)在器件中,從而降低解決方案的精確度。
CMRR通常在產(chǎn)品說明書中以線性刻度(μV/V)或者對數(shù)刻度(dB)單位表明。如果單位是dB,則極端值為最小值。如果單位為μV/V,則極端值為最大值。
要想計算器件CMRR規(guī)范產(chǎn)生的誤差,我們需要:產(chǎn)品說明書列出的極端CMRR規(guī)范、產(chǎn)品說明書規(guī)范表的共模電壓測試條件(Vcm-pds)以及系統(tǒng)的共模電壓(Vcm-sys)。
例如,假設(shè)系統(tǒng)共模電壓為50V(Vcm-sys),并且分流器電壓標(biāo)稱為5mV。我們使用INA170計算誤差,其極端CMRR規(guī)范為100dB(min),Vcm-pds=12V。
由于規(guī)范單位為dB,我們需要將其轉(zhuǎn)換為線性刻度,如方程式4所示。
eq4
現(xiàn)在,我們來計算誤差,如方程式5所示。
eq5
想要降低CMRR帶來的誤差貢獻(xiàn)值,我們有兩種方法:增加分流器電壓,或者選擇一個擁有更好CMRR性能的器件。改變Vcm-sys通常并非為一種可行的方法,因為具體應(yīng)用決定了它的大小。
這樣處理CMRR的目的是,讓讀者能夠迅速和有效地理解其如何影響測量的精確度[1,3,4]。
電源抑制比
pSRR是電源電壓變化引起Vos變化程度的一種測量方法。pSRR所產(chǎn)生誤差的計算方法與CMRR類似。
要想計算器件pSRR規(guī)范所產(chǎn)生的誤差,我們需要:產(chǎn)品說明書的極端pSRR規(guī)范、產(chǎn)品說明書規(guī)范表的電源電壓測試條件(Vs-pds)以及在系統(tǒng)中為器件供電的電源電壓(Vs-sys)。
例如,INA170的極端pSRR規(guī)范為10μV/V(最大),且Vs-pds=5V。如果器件實際電源電壓為30V(Vs-sys),則pSRR所產(chǎn)生的誤差可以利用方程式6計算得到。就前面的幾個例子而言,我們假設(shè)分流器電壓為5mV。
eq6
要想降低pSRR帶來的誤差貢獻(xiàn)值,我們有兩種方法可以使用:增加分流器電壓,或者選擇一個pSRR性能更高的器件。改變Vcm-sys通常并非為一種可行的方法,因為具體應(yīng)用決定了它的大小。
本例中,pSRR單位已經(jīng)指定為μV/V。如果該值單位指定為dB,則在使用方程式6以前必須將其轉(zhuǎn)換為線性刻度。
其他誤差
一些規(guī)范,例如:增益誤差和分流電阻器容差等,通常會以百分比的形式出現(xiàn)。這使得精確度計算更加簡單。
表1還列出了Vos漂移和變化。輸入補償電壓漂移可測量溫度變化帶來的Vos變化。這種規(guī)范一般為:
但是,輸入補償電壓變化則并不那么簡單。輸入補償電壓變化測量的是時間變化帶來的Vos變化情況。我們通常可以在產(chǎn)品說明書中看到這種規(guī)范,并且其僅為估計值。準(zhǔn)確估計這種變化的一種方法是,知道10年內(nèi)器件Vos的變化,不會大于器件的最大Vos規(guī)范。這種變化是器件初始Vos規(guī)范之外的變化。
綜合計算
如前所述,綜合誤差的各個方面,便可知道系統(tǒng)的總體精度。只需將每一項相加,便得到極端誤差,而以RSS方式將它們結(jié)合起來就得到一個更加準(zhǔn)確的結(jié)果。
就本文所列舉的Vos、CMRR和pSRR例子而言,極端精確度為67.4%,如方程式7所示。
eq7
使用RSS方式綜合各個誤差,得到更準(zhǔn)確的精確度為78.03%,如方程式8所示。
eq8
總結(jié)
本文介紹了電流檢測精確度概念,它與Vos、CMRR和pSRR等規(guī)范有關(guān)。文中所舉例子,說明了在某個具體應(yīng)用中如何計算這些規(guī)范所產(chǎn)生的誤差。另外,我們還簡單介紹了如增益誤差、分流器容差和Vos漂移與變化等其他誤差。
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