【導(dǎo)讀】在電力系統(tǒng)前端采樣的設(shè)計中，運(yùn)放是必不可少的。本文主要討論電力系統(tǒng)上對運(yùn)放的要求，以及如何選擇合適的運(yùn)放。
一般電力系統(tǒng)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(yùn)放時的信號幅值一般為V，屬于大信號。
運(yùn)放的直流電壓誤差是非常重要的一個參數(shù)，它決定了信號的精度，這對于繼電保護(hù)，電能質(zhì)量分析儀等應(yīng)用十分重要。此時運(yùn)放的直流參數(shù)造成誤差如下所示。
這看起來十分的復(fù)雜，不過不用擔(dān)心，部分參數(shù)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(shù)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(diào)電壓Vos
輸入失調(diào)電壓是使運(yùn)算放大器輸出為零時的輸入差分電壓?？梢砸暈橐粋€接在運(yùn)放輸入端的直流電源。
圖2 TLV9062的失調(diào)電壓和溫漂
上圖為TLV9062的失調(diào)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(chǔ)上加上了一個隨溫度變化的電源，要注意失調(diào)電壓可以通過軟件等方式來補(bǔ)償，但溫漂是很難被補(bǔ)償?shù)摹?/div>
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(tǒng)待機(jī)功耗。
2. 偏置電流
輸入偏置電流是流入運(yùn)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(yīng)該相等并相互抵消。然而，在現(xiàn)實(shí)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(chǎn)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(hù)二極管的漏電。
要注意輸入偏置電流對運(yùn)放的輸出的影響可以通過阻抗匹配的方式來消除。即使運(yùn)放正負(fù)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(guān)于電壓噪聲分為1/f噪聲和白噪聲。一般1/f噪聲要遠(yuǎn)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(guān)系滿足1/f規(guī)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(nèi)進(jìn)行積分才能轉(zhuǎn)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(tǒng)， fb是fh的=1.57倍，fa通常取0.1Hz。下面對噪聲進(jìn)行計算：
圖4 TLV9062的0.1Hz到10Hz噪聲曲線
在電力運(yùn)用中要特別注意，以上給出的只是噪聲對于直流參數(shù)誤差的影響。在一些需要測量分析電網(wǎng)高次諧波的場合，運(yùn)放的噪聲會疊加原本電網(wǎng)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(yùn)放至關(guān)重要。
4. 開環(huán)增益
運(yùn)放開環(huán)增益誤差是由輸出通過開環(huán)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(yùn)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?yàn)檩斎攵私拥?。而在同相放大器中，CMRR會產(chǎn)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(yùn)放的PSRR會隨著頻率的增加而衰減，如果電源使用開關(guān)電源進(jìn)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(guān)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(yùn)放的一些交流參數(shù)，由于電網(wǎng)的頻率為50Hz，頻率很低，對交流參數(shù)的要求并不太高，這里主要討論兩個重點(diǎn)參數(shù)：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(yuǎn)遠(yuǎn)大于50Hz，此運(yùn)放不會因?yàn)閹挼脑蚨a(chǎn)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(shù)，也就是全功率帶寬（FPBW）。
全功率帶寬定義為，在額定的負(fù)載時，運(yùn)放的閉環(huán)增益為1倍條件下，將一個恒幅正弦大信號輸入到運(yùn)放的輸入端，使運(yùn)放輸出幅度達(dá)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(yīng)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(yuǎn)大于此值。
至此對于運(yùn)放的全部參數(shù)都基本計算完了?？梢钥闯?，其中影響較大的是失調(diào)電壓 ，因此選擇一個失調(diào)電壓小的運(yùn)放是非常關(guān)鍵的。而TLV9062的失調(diào)電壓的典型值只有0.3mV，適用于高精度的應(yīng)用。其他的參數(shù)對應(yīng)用的影響也都已經(jīng)在上文中給出，希望可以給大家的選型和設(shè)計提供幫助。
推薦閱讀：
