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[经验] 四个视角,讲透额温枪应用设计中的运放问题

2020-3-16 09:24:46  486 额温枪 运放电路
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3 月 12 号,世界卫生组织宣布新冠肺炎为全球性流行病。抗疫正从中国的“人民战争”变成一场“世界大战”,很多事情正在微妙和快速的变化。额温枪和口罩一样,成为抗疫以及复产复工必不可少的日常用品,额温枪成了市场上炙手可热的产品,很多厂家开始步入这个市场。额温枪也有很多种方案,比如 SOC 方案,数字传感器方案以及通用 MCU+高精度运放方案。其中通用 MCU+高精度运放方案是比较容易量产的方案,其他方案现在都面临着产能不足的缺陷。为了加快广大厂家的研发进度,本文以问答形式整理了运放在额温枪应用设计中应该注意的几个问题。

问题 1:是否只能选择失调电压为 10UV 以下的高精度运放?



答:上图是某款额温枪使用到的量产方案示意图,从图中可以看到,为了让运放稳定工作,需要给运放一个稳定的静态工作点,例如本图中的 1.25V,热电堆没有信号输出时,运放的输出等于:

Vo=1.25V+Vos*511,其中,511 是运放电路放大倍数,失调电压 Vos 以及热电堆信号 VTH 均被运放电路放大。

GS8331 的最大失调是 10uV,在静态时,片与片的 Vo 输出在 1.25 上下变化 5.11mV;GS8551 和 GS8591 的最大失调是 30uV,在静态时,片与片的 Vo 输出在 1.25V 上下变化 15.33mV。

当运放芯片焊接到电路板时,Vos 就已经固定了,假设焊接的 GS8551 的 Vos 等于 5uV,Vo 的静态输出固定等于 Vo=1.25V+5uV*511=1.252555V,在这把额温枪测试人体温度时,Vo=1.252555V+VTH*511,额温枪出厂校准时会把 1.25V+Vos*511 这个值存储起来,并且每次测温的时候,输出值减掉这个存储值就等于 VTH*511,因此可以准确反应 VTH*511 这个所需要的信号,因此不一定需要 Vos 很小的高精度运放。

当然,Vos 也不能选用太大,因为 Vos 太大会导致运放电路的输出动态范围变小,影响额温枪的温度测试范围。

问题 2:高精度运放的输入失调电压温度漂移对额温枪的应用有什么影响?
答:医用额温枪的国家标准中规定

1,环境温度 16°C~35°C
2,温度显示范围 35°C~42°C,最大误差±0.2°C。

环境温度从 16°C 到 35°C,差值为 19 摄氏度,如果选用普通的运放,温度漂移一般在 2uV-3uV 每摄氏度,因此在 19 摄氏度的范围内,输入失调电压 Vos 会漂移 38uV-57uV,而市场上常见的热电堆传感器,1 摄氏度产生的信号一般是几十个 uV,以 80uV 举例,±0.2°C 对应±16uV 的漂移,所以如果使用普通运放的话,单单运放引入的误差就超过了国家标准。

而聚洵半导体零漂移运放的温漂最大值为 50nV/°C,输入失调电压 Vos 在国家标准的温度范围内最大漂移 0.95uV,远小于 16uV 的国家标准,因此在额温枪应用中,必须选用零漂移运放。

问题 3:额温枪对高精度运放的带宽有什么要求?
答:额温枪在测试人体温度时,并不需要很高的频率,因此在设计运放电路时,可以通过外围电路来限定运放环路的带宽,从而抑制高频噪声,因此一般会在反馈电阻上并一个比较大的反馈电容。

如问题 1 所示的电路图中,只要运放的带宽足够大,那么环路的带宽由 Cf 和 RF 所组成的极点来决定。
问题 1 图中,fp=1/(2πRfCf)=1/(6.28*100nF*510K)=3.12Hz

聚洵半导体的高精度运放 GS8331 的带宽是 350K,GS8552 的带宽是 1.8M,GS8591 的带宽是 4.5M,都远远大于 3.12Hz,因此上述三种高精度运放都可以用在额温枪应用中。

问题 4:Vref 的电压怎么产生?
答:Vref 电压可以由以下二种方式产生:

1,单独的 LDO 或者基准芯片产生
这种方式需要单独增加芯片,会增加整个方案的 bom 成本,而且因为一般的 LDO 以及基准芯片的输出都是固定电压的,调整 Vref 电压不是很灵活。

2,两个电阻分压产生
使用这种方式,分压电阻不能取得太大,否则驱动能力不够,会造成测量误差。



如上图所示,假设 R2 是 12.5K,R1 是 17.5K,Vref 电压等于 1.25V,当传感器测量温度产生的信号是 1mV 时,1mV 的压差在 Ri 产生的电路是 1uA,1uA 需要通过 R1 和 R2 以及传感器流出,而传感器的阻抗很高,所以大部分电流必须通过 R1 和 R2 流出,因此势必造成 Vref 改变,具体算法如下:(3Vref)/R1=1uA+Vref/R2,带入 R1 和 R2 的阻值,可以算出 Vref=1.242V,比实际的 Vref 减小 8mV,折算到传感器 VTH 的信号端为 8mV/511=15.6uV,即每 mV 的压差影响 15.6uV 的精度,因此会直接影响温度测试的准确性。

为了解决这个问题,可以把电阻取小一些,比如 R2=1.25K 和 R1=1.75K,但这两个分压电阻引入的功耗等于 1mA,大大增加整个系统的功耗。

3,两个电阻分压并且增加一个电压 buffer 产生



使用这种方式,可以增加 R1 和 R2 的阻值来减小功耗,并且通过 buffer 来增加驱动能力,但是 R1 和 R2 的阻值也不能选太高,否则电阻引入的噪声也会变大。

这种方式需要引入 1 路运放,再加上放大电路需要 1 路运放,因此可以使用一个 2 路运放来实现整体方案,可以选用聚洵半导体双通道运放 GS8552,GS8592,GS8332 实现。

王栋春 2020-3-16 12:46:05
不错的资料分享  感谢楼主分享
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xinjihua 2020-3-17 08:35:30
不错的资料分享  感谢楼主分享
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huihui163 2020-3-17 14:34:15
基本的运放分析的非常不错?
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