發布日期：2022-04-28 點擊率：35
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在電力系統前端采樣的設計中，運放是必不可少的。本文主要討論電力系統上對運放的要求，以及如何選擇合適的運放。
一般電力系統的采樣是由PT,CT（電壓電流互感器）或者直接使用電阻（這種情況信號需要隔離）。信號的頻率為50Hz，傳遞至運放時的信號幅值一般為V，屬于大信號。
運放的直流電壓誤差是非常重要的一個參數，它決定了信號的精度，這對于繼電保護，電能質量分析儀等應用十分重要。此時運放的直流參數造成誤差如下所示。
這看起來十分的復雜，不過不用擔心，部分參數的影響可基本忽略不計。接下來將通過使用TLV9062搭建的同相放大器（如下圖所示）做為列子來分析哪些參數的影響較大，并提出一些減小誤差的措施。
圖1 使用TLV9062的同相放大器
1. 失調電壓Vos
輸入失調電壓是使運算放大器輸出為零時的輸入差分電壓。可以視為一個接在運放輸入端的直流電源。
圖2 TLV9062的失調電壓和溫漂
上圖為TLV9062的失調電壓圖，典型值為0.3mV，最大值為1.5mV。典型值意味著68%的器件都小于此值。對于溫度漂移，可以視為在原有的基礎上加上了一個隨溫度變化的電源，要注意失調電壓可以通過軟件等方式來補償，但溫漂是很難被補償的。
300uV的輸入offset特別適用于高精度的電流檢測前級放大，具有具有軌至軌輸入和輸出擺幅能力。此外，TLV9062還可以作為電壓反饋前級buffer，0.5pA的輸入漏電流可選用更大阻值的分壓電阻，減少系統待機功耗。
2. 偏置電流
輸入偏置電流是流入運算放大器輸入端的電流。這些電流可以建模為一個連接到每個輸入端的電流源，如圖所示。理想情況下，兩個輸入偏置電流應該相等并相互抵消。然而，在現實中，它們是不相等的，這些電流的差被定義為輸入偏置電流。如果輸入偏置電流較低，則可以匹配連接到每個輸入端的阻抗，并消除由輸入偏置電流產生的偏置。
雙極放大器中的偏置電流來自輸入晶體管基極電流。它通常比fet輸入放大器大，并流入輸入端子。Fet,JFET輸入放大器的偏置電流主要來自于ESD保護二極管的漏電。
要注意輸入偏置電流對運放的輸出的影響可以通過阻抗匹配的方式來消除。即使運放正負極的等效阻抗相等，此時偏置電流的影響即R*（Ib-Ia）,即R* Ioffset。本列中Voutib = Rf*Ib
TLV9062的輸入偏置電流為 +/- 5pA，輸入電阻為 9Kohm，對電壓影響也只有45nV。
3. 噪聲
關于電壓噪聲分為1/f噪聲和白噪聲。一般1/f噪聲要遠小于白噪聲。1/f噪聲，是說電能力密度曲線與頻率之間的關系滿足1/f規律。
圖3 TLV9062的噪聲與頻率曲線
Datasheet上給出的電壓噪聲密度曲線分為1/f噪聲和白噪聲。低頻的部分是1/f噪聲和白噪聲的影響，高頻的部分主要受白噪聲的影響。噪聲的單位是nV/（根號Hz） ，需要將它在帶寬頻率內進行積分才能轉化為常用的噪聲單位nV。要注意的是這個帶寬不是我們常用的-3dB帶寬，是Brickwall濾波器帶寬。對于一階系統， fb是fh的=1.57倍，fa通常取0.1Hz。下面對噪聲進行計算：
圖4 TLV9062的0.1Hz到10Hz噪聲曲線
在電力運用中要特別注意，以上給出的只是噪聲對于直流參數誤差的影響。在一些需要測量分析電網高次諧波的場合，運放的噪聲會疊加原本電網的諧波上，造成諧波分析的誤差，因此在這種場合，選擇一個噪聲低的運放至關重要。
4. 開環增益
運放開環增益誤差是由輸出通過開環增益加在輸入上的誤差。
Aol=100dB=10^5
e/Aol=100uV
5. 共模抑制比CMRR
共模電壓的變化會引起輸出變化，運算放大器共模抑制比（CMRR）是共模與差模增益的比值。在反向放大器中，共模抑制比影響很小，因為輸入端接地。而在同相放大器中，CMRR會產生輸出電壓誤差。
在50Hz時，CMRR=88dB
CMRR_DC=10^(88/20)=25118.8
Vos_cmrr=1/CMRR_DC=39.8uV
6. PSRR
圖5 TLV9062的CMRR和PSRR曲線
這里要注意的是運放的PSRR會隨著頻率的增加而衰減，如果電源使用開關電源進行供電，就算紋波很小，但對直流電壓誤差的影響是很大的。
如果電源使用2MHz的開關電源，輸出紋波為2mV。此時PSRR為20DB
PSRR_DC=2/10^(20/20)=200uV
接下來討論運放的一些交流參數，由于電網的頻率為50Hz，頻率很低，對交流參數的要求并不太高，這里主要討論兩個重點參數：帶寬和壓擺率。
1. 帶寬：
在datasheet中，帶寬的計算往往是通過增益帶寬積(GBP)來計算的，TLV9062的增益帶寬積為10MHz。
可以看出這個值遠遠大于50Hz，此運放不會因為帶寬的原因而產生衰減。
2. 壓擺率SR
壓擺率可以理解為：輸入一個大的階躍信號，輸出信號的最大變化速度。講到壓擺率，往往牽涉到另一個參數，也就是全功率帶寬（FPBW）。
全功率帶寬定義為，在額定的負載時，運放的閉環增益為1倍條件下，將一個恒幅正弦大信號輸入到運放的輸入端，使運放輸出幅度達到最大（允許一定失真）的信號頻率。
簡單來說，要使信號不失真，應使SR >= FPBW*2*pai*Vout 在本列中SR 50*2*pai*10*10^(-6)=3.14* 10^(-3) V/us, 而TLV9062的壓擺率為6.5V/us，遠大于此值。
至此對于運放的全部參數都基本計算完了。可以看出，其中影響較大的是失調電壓 ，因此選擇一個失調電壓小的運放是非常關鍵的。而TLV9062的失調電壓的典型值只有0.3mV，適用于高精度的應用。其他的參數對應用的影響也都已經在上文中給出，希望可以給大家的選型和設計提供幫助。
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