【技术专辑】如何使用运算放大器,BJT和三个电阻监控电流

本文是AAC模拟电路系列的一部分,解释了精确测量电源电流的智能电路的功能。

 

首先,我不得不承认这个标题有点误导。本文介绍的电路确实只需要一个运算放大器,一个晶体管和三个电阻。然而,它不是一个独立的电流监视器,因为它测量电流并根据测量结果发起动作。因此,“电流测量器”可能比“电流监视器”更准确,但即使“电流测量器”也不能完全捕获它,因为电路不会记录当前值或将它们转换为可视指示。

 

最后,我认为电路只不过是“电流 - 电压转换器”,但请记住,它以与电源电流监控应用兼容的方式将电流转换为电压。因此,我们可能将其称为“用于电源电流传输监控应用的电流 - 电压转换器”(缩写为CTVCFPSCDMA)。完美。

 

为什么?

 

在各种情况下,您可能需要测量设计消耗的电流。也许您希望根据另一个子系统的当前消耗动态调整一个子系统的功能。也许您正在尝试估算电池寿命,或者建立可以提供足够输出电流的最小可能的稳压器IC。您甚至可以使用记录的电流消耗测量作为跟踪微控制器在高功率和低功率状态之间转换的微创方式。

 

怎么样?

 

如开头段落中所讨论的,该电路将电流转换为电压。如果您只需要使用万用表或示波器手动观察电流消耗行为,这可能会满足您当前的监控要求。我想您甚至可以使用数据采集设备和一些适当的软件来记录和分析您的电流消耗测量值。

 

如果您需要一个能够更加自主地记录和/或响应当前消耗行为的电路,您可能希望使用微控制器将测量数字化。如果只需要基本功能而您不需要处理器,则可以使用比较器或模拟窗口检测器。

 

电路

 

本文介绍的CTVC基于美国国家半导体公布的一份名为“运放电路集合 ” 的应用笔记中的电路。我的版本看起来像这样:

 

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这是我的LTspice实现:

 

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乍一看,这看起来有点令人困惑,但操作确实相当简单。我们走吧:

 

•电流从电源流过R1流向负载。R1用作典型的电流传感器电阻,与其他电流检测电阻一样,它具有非常低的电阻,从而降低功耗并最小化其对测量和负载电路的影响。

 

•运算放大器的非反相变器输入端的电压等于供电电压的负(电源电流×R1)。

 

•不要让PNP晶体管分散注意力,因为运算放大器确实具有负反馈环路。负反馈的存在意味着我们可以应用虚拟短近似,即,我们可以假设反向输入端的电压等于供电电压的负(电源电流×R1)。

 

•由于R1和R2的上端都连接到电源电压,因此虚短路假设告诉我们两个电阻上都出现相等的电压,因此通过R2的电流等于通过R1的电流除以R2与R1的比率。在上面显示的LTspice电路中,R2比R1大1000倍,这意味着通过R2的电流将比通过R1的电流小1000倍。

 

•BJT的基极电流非常小,因此我们可以说通过R3的电流或多或少等于通过R2的电流。因此,我们使用R3来产生与通过R2的电流成正比的电压,而电压又与通过R1的电流成正比。

 

这是一个有助于澄清和强化这种解释的图表:

 

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如您所见,V OUT的最终等式是

 

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PNP究竟做了什么......?

 

您可以通过两种方式来考虑晶体管:作为可调节阀,允许运算放大器增加或减少流过R2和R3的电流,或者作为一个可变的电压下降装置,运行放大器可以用来在vout节点建立正确的电压。在两种情况下,最终结果都是相同的:晶体管是运算放大器可以迫使反相输入端的电压等于非反相输入端的电压的装置。

 

晶体管确实是该电路中最有趣的部分。我们经常在“开启或关闭”应用程序中使用BJT,重要的是要认识到该电路中的情况完全不同。运算放大器(当然,在负反馈的帮助下)实际上是对PNP的发射极 - 基极电压(V EB)进行小而精确的调整。下图显示了一系列负载电流的V EB(对应于50Ω至300Ω的负载电阻)。

 

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有关如何在水平轴上创建带阶梯参数的绘图的信息,请参阅此页面。

 

注意所有这些电压是如何接近硅PN结的典型导通阈值(~0.6 V)。这告诉你的是,运算放大器非常谨慎地协商BJT的阈值区域,以便产生发射极 - 集电极电压降所需的相对较大的变化。整个V EB值范围仅为~50 mV,并将此~50 mV变化与发射极 - 集电极电压的~4 V变化进行比较:

 

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性能

 

当然,该电路的实际实现将具有导致负载电流与输出电压关系偏离上面给出的理想公式的误差源。甚至LTspice电路也不是很完美,因为BJT模型中也包含了真实的行为(也许还有运放模型)。但是,如果你有高精度电阻和一个好的运算放大器,我认为这个电路可以非常准确。下图显示了相同负载电阻范围内的模拟误差(请记住“V_collector”与V OUT相同)。

 

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两条迹线几乎完全重叠,表明精度很高。注意橙色迹线在最小电阻值下如何明显低于蓝色迹线; 出现这种情况是因为50Ω的负载电阻对应于5 V的输出电压,但V OUT不能精确地为5 V,因为必须在R2和发射极 - 集电极结之间降低至少一点电压。

 

结论

 

我们已经介绍了一种有趣且有效的电路,可以精确地将电源电流转换为可以测量,数字化或用作比较器输入的电压。

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发布日期:2019年03月04日  所属分类:参考设计