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观电路-csa与系统 [复制链接]

观电路-CSA与系统(1)

  1. 为什么我们要选择CSA?
  2. CSA和INA的区别是什么?
  3. CSA如何影响我们的系统?
  4. 分流电阻的选择

为什么我们要选择CSA

       在电路系统中,电流采样如果按共模电压去分,那么电流采样分两种,

  1. 高位电流采样
  2. 低位电流采样

 

高位电流采样一般是Rshunt串在非地的输出上,低位电流采样是Rshunt接在地上面,在电源系统中若是输出要直接并联要选择高位电流采样,低位采样不能将输出直接并联,如下图

图片.png  

      

图1:高位采样和低位采样

       使用低位采样的时候经常有直接使用OPA去构建的,通常使用较低Vos的opa去构建,如opz30这样的运放,如下图所示

 

图片.png  

图2:opz30参数

       Opz30其自身的offset比较小,适合放大比较小的信号。

Example1:

       Input voltage=0.1mV

       Opz30 gain=100

       Output voltage=(input voltage +Vos)*gain

       因为Vos会被一起放大,所以小信号的放大Vos至关重要!

在信号比较小的时候,Vos会占输出误差比较大的比较重,若是信号比较大,那么输出的Gain error就会占比较大的比重。

       使用外部电路构建电阻匹配是比较麻烦的事情,即使是0.1%的电阻最大误差可能约0.2%

图片.png  

图3:LTspice仿真图

       仿真代码如下⬇️

* /Users/xutong/Documents/LTspice/op07.asc

XU1 N003 N001 VCC VEE VOUT LT1001

V1 VCC 0 15

V2 0 VEE 15

V3 N002 0 0.2

R1 0 N001 9.99k

R2 N003 0 100.01k

R3 N003 N002 9.99k

R4 VOUT N001 100.01k

.tran 8m

.lib LTC.lib

.backanno

.end

 

       使用csa23做为电流采集时候他的Gain error仅为0.02%如下图所示

image-20220819232752-1.png  

图4:csa2302 数据表

       在使用低位电流采样时候分立器件会遇到这些问题,高位电流采样也同样会遇到,但是在做高位电流采样时候电阻不匹配还会大大降低cmrr,我们看下图

图片.png  

图5:仿真cmrr1  Vout约2.0072V. Vcm=5V

图片.png  

图6:仿真cmrr2 Vout约2.0020V Vcm=0V

关于cmrr的定义就是▵vcm/▵vout=cmrr

那么我们粗略的计算下

52.0072-2.0020=961

约等于1000倍,也就是60db左右,那么csa2302的cmrr又是多少我们再去看看手册

图片.png  

图7:csa2302 cmrr

       155db,将db换算回去,就是155/20=7.75,那么10^7.75相当🐮🍺,虽然这是带Gain情况下的。

小结:

       因为vos,gain error,cmrr 的原因。我们电流采样时候选择csa更加合适。若是非要使用普通放大器去采集电流建议选择opz30这样的运放

CSA和INA的区别是什么

       INA的GAIN大多是可控的,引脚排列顺序一般是 1-8脚为GAIN设置电阻,或者是2-3脚为GAIN设置电阻。

       CSA的GAIN大多是固定的,通常的档位有 10倍 20倍 50倍 100倍 200倍

       INA的输入阻抗更高,可以直接接高阻输出的传感器,CSA相对来说输入阻抗要低的多。例如INA可以直接作为ECG的输入级。参考如下⬇️

图片.png  

图8:AD620 做为ECG输入端

图片.png  

图9:AD620输入阻抗

       虽然INA有这样那样的好处,但是INA的共模输入电压一般不高,而CSA2302这样的CSA他的共模电压就会高许多。如下图所示

图片.png  

 

图10:CSA23共模输入范围

需要值得注意的一点是,不是所有CSA的共模电压输入范围都可以到0V,在选用CSA的时候要注意其共模电压输入范围。

当我们使用INA或者CSA采集非常小的电流时候,放大器的ibias将会影响电流采样精度。如下图所示。

图片.png  

图11:ibias图

CSA如何影响我们的系统

       在整个电路系统中CSA当然是一个比较小的组件,我们只是尽可能的希望将电流采集的准,以上我们已经讲了各个CSA的参数对输出的影响,若是要消除这些影响我们要去怎么做。

  1. 可以校准的是gain error和offset
  2. 约等于,不可以校准的是cmrr和drift

Gain error就是直线的斜率,若是直线的斜率不是45°,那么我们可以给直线*一个k其等于45°,而offset则是b,直线不在原点我们就可以对其x轴做个偏移,最终得的直线公式就是y=kx+b

image-20220819232859-2.png  

图12:直线图

分流电阻的选择

       在电流采样电路中,分流电阻的选择依据主要是其温漂,和电阻自身的精度,还有电阻的功率,通常合金电阻都能到达比较高的功率。分流电阻选择时候应该考虑到adc的最大输入范围,最好把adc的范围给用满,以此获得更高的采样精度。

       Tips:电阻温漂有的厂商写的是TCR,有的厂商写的是ppm

       在电流检测的场景中,许多电阻都是带kelvin的引脚,防止由于布线不当引起的额外误差。参考电路如下所示。

图片.png  

图13:电阻布线图

       电阻的脚上也是有阻抗的,若是采样线在电阻的脚上,则电阻脚上的阻抗上面采集的电压也会被采集进去,在更高精密的场合需要注意的是,电阻上的金属和PCB以及焊锡会形成热电偶可能要进行一些补偿。

       实际上在PCB上是什么样子?我们一起看看

图片.png  

图14:无kelvin电阻布线 来自isabell

       若是布线走在电阻底下,诶就近似了开尔文连接,连接点上没有压降导致的额外误差。

参考文档

ADI~~MT-042 运算放大器共模抑制比

ADI~~AD620 data sheet

TI~~ZHCAAS4

Analogysemi CSA2302 data sheet

Analogysemi OPZ30

Isabellenhuette VMS-R020-1.0 datasheet

 

此帖出自模拟电子论坛
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希望做一些大家觉得好用的东西!


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确实对CSA了解不多

讲解和分析的很好

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嘿嘿,谢谢捧场  详情 回复 发表于 2022-8-20 16:05

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一粒金砂(高级)

qwqwqw2088 发表于 2022-8-20 14:20 确实对CSA了解不多 讲解和分析的很好

嘿嘿,谢谢捧场


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