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[参考译文] OPA4991：使用分流电阻器的电流测量电路的误差回顾

admin
Guru**** 2380450 points
Other Parts Discussed in Thread: OPA4197, OPA4H199-SEP, OPA4991, OPA4186, OPA4196
请注意，本文内容源自机器翻译，可能存在语法或其它翻译错误，仅供参考。如需获取准确内容，请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

https://e2e.ti.com/support/amplifiers-group/amplifiers/f/amplifiers-forum/1443759/opa4991-error-review-of-current-measurement-circuit-using-shunt-resistor

器件型号：OPA4991
主题中讨论的其他器件： OPA4186、 OPA4196、OPA4197、OPA4H199-SEP

工具与软件：

你好？

本文是因为使用分流电阻器来调试电流测量电路、但输出不稳定问题尚未解决。

图中的分流电阻是一种基于0.01 Ω 的高侧电流测量方法、使用 OPA4991并基于5V 后放大/衰减输入到 ADC。

(OPA4491；SOT23-14、4通道、最大电源电压40V 轨到轨     µs 和  ±、失调电压±125 μ V、带宽4.5 MHz、压摆率21V/μ s、偏置电流 µV 10pA、共模抑制130dB)

由于 OPA4991的输入不能超过电源电压、因此在28V 侧和 BAT 侧都执行了 ORing 操作。

这里的12V 侧和5V 侧、也就是低压侧、似乎没有任何重大问题。 但是、当 BAT 电压超过大约31V 时、存在异常测量值、此时 BAT 电流和28V 电流会降低、这是 OPAMP 的供电问题。 即使电阻器两端的电压非常小以至于几乎没有电流流动、也会在输出产生的位置确认偏移。

我想问的是、运算放大器电路中是否存在结构问题。 因为这是我记得绘制的示意图、不是完全一样的图、所以很难做出明确的结论、请问还有没有 其他意见。  (由于尺寸和规格问题、更改 OPAMP 似乎很困难。)

S.Y.Lee

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    TI__Guru**** 2380450 points
    请注意，本文内容源自机器翻译，可能存在语法或其它翻译错误，仅供参考。如需获取准确内容，请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

    S.Y.Lee、

    我认为问题可能是您的 OR 结构中的二极管。  假设这些二极管是肖特基二极管、电源电压将下降约0.3V。  这不是很多、但它可能会造成输入共模小于电源电压的情况。  共模输入电压是直接在放大器同相输入端的电压。  可以将其计算为分压器。  对于28V 信号、可以预期共模为28V * 100k/(100k + 3k)= 27.2V。  因此、计算表明您实际上应该没问题、但我认为您应该在实验中检查电源电压并在同相输入上检查输入共模电压、以确认 您的电源没有降至不可接受的水平。  总之、直接在运算放大器引脚上测量输入、输出和电源、并让我们知道电压是多少。

    此致、艺术

     

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    TI__Guru**** 2380450 points
    请注意，本文内容源自机器翻译，可能存在语法或其它翻译错误，仅供参考。如需获取准确内容，请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

    感谢您的快速浏览。

    根据要求、以下是使用 DMM 根据 AG 测量2AMP 的结果。 (由于其他修改、当前缺少第一个。)

    功率 AMP_PWR：         27.71 V
    输入+28V_R：            28.25 V
    CM (3k 和100k 之间)：27.42V
    输出 I_28：              95.3mV

    输入差分"+28V_R"-"+28V"：0.6mV

    考虑结果、
    1.如果我们将实际的 DCDC CONV 电压代入您提到的公式、即28.25V * 100k /(100k + 3k)= 27.42V、这符合我们的预期。

    此处观察到的大于预期的肖特基压降表明、我们应该寻找另一个产品、或者在我们执行当前产品时重新设计它。 (Vf = 0.54V？、如果产品发生变化、二极管尺寸将会增加、需要重新排列。)

    2.模糊部分是虽然 CM 电压低于电源电压,但差值小于0.3V。如果电势差很小,则 OPAMP 输出可能会变得不稳定。

    如果是 OPA4991的建议工作状态、则输入电压范围为(V+)+ 0.2V、共模电压范围为(V+)+ 0.1V、因此它处于正常范围内。 不过、如果存在稳定范围应该比 V+低多少的标准、则设计起来会很方便。

    3.问题是输入电势差为0.6mV、因此与输出0.6*100/3=20mV 有很大的差异。 由于它是处于待机状态的电流、因此应根据其在50 mA 附近的值进行计算。 但是、由于它是在95mV 下输出、因此 ADC 结果经确认超过250 mA。

    单独来说、两端的实际电阻为0.4mV、因此反馈接线中似乎也有一些压降。

    如上所述、我已将测量结果和个人想法包括在内、因此请再次进行回顾。

    S.Y.Lee

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    TI__Guru**** 2380450 points
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    S.Y.Lee、

    感谢您发送编修。

    1. 根据您的反馈、在这种情况下、共模范围似乎是可以的。  实际共模电压为 27.42V、电源为 27.71V、所以运算放大器应处于线性工作状态。
    2. 我想您看到的问题是运算放大器的失调电压太大、无法达到 目标精度。  运算放大器的最大失调电压为750μV μ V。  但是、这是通过-V 的共模信号指定的  该器件使用两对输入晶体管来实现 从负电源到正电源的共模范围。  当共模在正电源轨的1V 范围内时、输入晶体管将从 P 沟道切换到 N 沟道。  此开关会导致失调电压跳转到不同的电平。  这种跳跃称为交叉失真(请参阅数据表中的图6-6)。  750μV μ V 规格 是在共模 Vcm =-V 下定义的、因此该失调电压转换可以使失调电压超过 Vos 最大值750μV μ V  由于输入信号为0.4V、偏移可能大于0.75uV、因此您应该会得到较大的误差。  我想您所谓的"不稳定性"是指靠近正电源轨的放大器只是到失调电压较大的 N 沟道区域的转换。
    3. 我认为没有必要更改肖特基二极管。  我认为、您应该更换运算放大器、使其具有更好的总体偏移、尤其是靠近正电源轨的良好 CMRR。  OPA4196或 OPA4197使用与 OPA4991类似的方法、但失调电压要低得多。  您可以在 OPA4197 数据表的图7中看到、失调电压确实有交叉区域、但 P 沟道区域和 N 沟道区域之间的差异要小得多(通常小于100uV)。  OPA4186是一款具有极低 Vos (最大10uV)的斩波放大器、具有向正电源传输 Vcm 的电压。  我会回顾这些选项、并尝试将其作为替代选项。  我知道大多数选项的成本较高、但我 认为差异不大。  更重要的是、我认为 OPA4991无法满足您的精度要求。

    此致、艺术

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    TI__Guru**** 2380450 points
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    尊敬的 Art Kay：

    感谢您的详细回答。

    但是、很遗憾、无法更改您建议的另一个 OPAMP。
    由于该原型使用的是以变更为航天级产品为前提的商业产品、因此很难选择可以替换为航天级产品的运算放大器。 此外、在 TI 拥有的航天级运算放大器中、此运算放大器的尺寸最小且偏移最小。 (OPA4H199-SEP；SOT-23-THN-14、0.895mV 失调电压)

    虽然没有在问题中填写、但所应用的 ADC 也是 TI 的一款产品、可以在航天级处理相对高速的采样、并应用 ADC128S102CMT (1 Mbps、12位)产品。

    如上所述、由于响应航天级产品的限制、元件侧无法更改、但在某些情况下、即使是12位 ADC、也证实了略有增加或减少的现象、因此我们正在考虑外部电路侧的稳定措施。

    我正在考虑增加电流电阻以进一步降低 Vcm、但我认为还必须考虑发热和压降的影响。 如果有关于 V+和 VCM 在稳定之前有多大差异的数据、那么在设计审查中也很有帮助。 首先、在制造下一个 PCB 时、我将反映调整电流电阻的电路、以便(V+)-(Vos_max)>(Vcm)、如您所述。  或者、让我们尝试使(V+)-(Vos_tr)>(Vcm)。

    如果仅是商用 OPA4991IDYYR、则(Vos_max)的值为±830uV、但如果我考虑将其更改为航天级 OPA4H199MDYYTSEP、则该值为±925uV。  如果为(Vos_tr)、则约为1.75V (数据表中的图6-6)

    这一改变需要时间、因此、如果以后有任何特殊情况、我将补充更多信息。

    此致、

    S.Y.Lee

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    TI__Guru**** 2380450 points
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    Lee、

    我理解你的困境。  如果我们保持放大器不变、这将是一个需要解决的具有挑战性的问题。 由于从 P 通道到 N 通道的转换至少发生在距离电源轨1V 的位置、因此调整分流电阻不会使共模电压变化足以解决这个问题。  您可以执行校准吗？  实际上只需要单点校准来校准失调电压。  下面是我最近写的一篇关于这个主题的文章:  https://www.planetanalogue.com/when-to-calibrate-your-system-offset-voltage-and-gain-error.  由于您可以将系统置于待机模式、并且您知道电流应该约为20mA、因此您可以进行因数校准并将放大器失调电压存储到 EEPROM 中。  如果这不起作用、那么您可以增加分流电阻以增加输入信号、从而减少误差。  这不会使您离开 N 区、但会使信号变大、从而使误差变小。

    我真的不明白您关于 ADC 的评论。  我在这里唯一要说的是、您应该使用 DMM 和示波器确认放大器输出是稳定的电压、并且会因运算放大器输出端的失调电压而产生直流误差。  您要确保在假设放大器存在问题时没有在 ADC 上看到错误。  也就是说、您需要了解信号链中各组件的影响并修复有问题的元素。  我认为放大器是本例中的问题、但我提到这一点是因为您提到了 ADC。

    此致、艺术

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    TI__Guru**** 2380450 points
    请注意，本文内容源自机器翻译，可能存在语法或其它翻译错误，仅供参考。如需获取准确内容，请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

    但并未排除 ADC 根本不存在问题。 但是、如测量内容3所述、施加的放大比下的输出与 OPAMP 的输入显著不同、因此确定 OPAMP 的特性存在问题。

    我正在检查设计、希望在下次生产时通过增大电阻并减小测量范围和放大比来降低 Vcm、这样可以保持稳定。


    电流：R = 0.01、范围：15A 最大值 (100K 和3K)

    Vcm：28 * 100k/(100k + 3k)= 27.1844V ( 与 (V+)之间的间隙为0.8156V)

    输出电压：0.01 * 15 * 100k / 3k = 5.00V (最大值)。

    V_R：0.01 * 15 = 0.15V (最大值)。

    P_Q： 最大值0.01 * 15 * 15 = 2.25W。


    预期？：R = 0.05、范围：10A 最大值。 (20K 和2k)

    Vcm：28 * 20k /(20k + 2k)= 25.454545V (与 (V+)之间的间隙为2.5455V)

    输出电压：0.05 * 10 * 20k / 2k = 5.00V (最大值)。

    V_R：  最大值0.05 * 10 = 0.5V。

    P_Q：    最大值0.05 * 10 * 10 = 5W。

    我认为、即使考虑到二极管上的压降、这种降低水平也是可以接受的。  出于重大原因、似乎可以在中间调整功耗。

    S.Y.Lee

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    TI__Guru**** 2380450 points
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    Lee、

    1. 通常、对于运算放大器文献和讨论、术语"稳定性问题"是指由容性负载导致的运算放大器输出振荡。  我认为、使用术语"稳定性"意味着当输入从 P 通道对转换到 N 通道对时、由于失调电压增加、误差会变得很大。  请确认这是问题所在。  在将来的讨论中、由于 Vos 较大、最好称为该误差。  这只有助于改善阅读此帖子的其他人的沟通。
    2. 我看到您对变革的看法。  您将降低增益、从而导致共模电压下降。  您可以通过增大输入信号来对增益变化进行补偿(增大分流电阻)。  我认为这是个好主意、应该起作用(您的 VCM 现在比电源轨低2.55V -裕量好)。
    3. 我会尝试让电路确认这可以解决问题。  我认为应该这样、但可能我们在电路中遗漏了一些其他问题。

    此致、艺术