观电路-csa与系统

xutong

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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

 

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5:仿真cmrr1  Vout约2.0072V. Vcm=5V

 

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8:AD620 做为ECG输入端

 

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

 

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

 

qwqwqw2088

确实对CSA了解不多

讲解和分析的很好

xutong

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