作者 主题:LM324作为差分放大器的电阻容差是多少? (Read 653 times)

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线上 黑森

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LM324作为差分放大器的电阻公差是多少?
« 上: 2020年12月26日,上午12:58:43»
你好

我想测量单个18650电池电压,以便如果任何一个电池电压降至3.4v以下,我想切断电路。我正在尝试使用两个LM324和一个TL431来切断参考电压。
这是较大电路的子电路。我对LM324的电阻公差特别感兴趣,因为我将其用作差分放大器。就像使用10%,5%,1%的电阻器能节省多少钱一样它会从实际的3.4v设定电压漂移多少。

当我们讨论这个问题时,这个电路是否足够牢固?我在LTspice中进行了尝试,这需要很长时间才能进行仿真。不知道为什么要花这么长时间。

在底部附加LTspice文件。
« 上次编辑:2020年12月26日,上午01:04:22 »
 

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« 在以下方面回复#1: 2020年12月26日,上午04:30:14»
这里'这是我解决问题的数学方法-我想有一些工程捷径可用来解决问题。

下面对差分放大器进行分析:

//www.electronicshub.org/differential-amplifier/

我们有

$$ V_o = \ frac {\ left(1 + R_3 / R_1 \ right)} {\ left(1 + R_2 / R_4 \ right)} V_2-\ frac {R_3} {R_1} V_1 $$

设置\ $ a = R_3 / R_1 \ $和\ $ b = R_2 / R_4 \ $。对于10%的公差,零件a和b将在[0.82,1.22]范围内。

用\ $ a \ $和\ $ b \ $重写\ $ V_o \ $给我们:

$$
V_o = \ left(\ frac {1 + a} {1 + b} \ right)V_2-一个V_1
$$

会有两种误差-共模误差和增益误差。 We can analyze them by writing \$V_o = A (V_2+V_1) + B (V_2 - V_1)\$. Ideally A will be 0 and B will be 1. Solving 对于 A and B 在 terms of a and b yields:

\ begin {align *}
A &= \ frac {1} {2} \ left(\ frac {1 + a} {1 + b} \ right)  - a \\
     &= \ frac {a} {2} \ left(\ frac {1} {\ left(b + 1 \ right)}-1 \ right)+ \ frac {1} {2 \ left(b + 1 \ right) } \\
\ end {align *}
类似地,我们发现
\ begin {align *}
B & = \ frac {1} {2}(\ frac {1 + a} {1 + b})  + a \\
   & = \ frac {a} {2} \ left(\ frac {1} {\ left(b + 1 \ right)} + 1 \ right)+ \ frac {1} {2 \ left(b + 1 \ right)} \\
\ end {align *}

从这些公式中,您应该能够使自己确信A的极值出现在a = b = 0.82和a = b = 1.22时,其中A分别为9%和-11%。对于B,极限值出现在a,b = 0.82,1.22和1.22,0.82处,其中B达到0.82和1.22。

总而言之,在输出端可以看到高达输入电压总和的+/- 10%,外加差值的80%至122%。当然,这两个错误是相关联的,所以您赢了'不能同时看到这两个极端。

实际上,您可以通过简单地测量和选择R1 / R3和R2 / R4的匹配电阻来将这些误差降至最低。如果您将它们的误差控制在1%之内,则A和B的误差约为0.5%。

« 上次编辑:2020年12月26日,上午04:38:49由ledtester »
 
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« 在以下问题上回复#2: 2020年12月26日,下午12:17:24»
该电路可能会从电池组汲取约3mA的电流,这意味着您将必须小心,不要在相当长的时间内不使用电池。
 
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« 在以下方面回复#3: 2020年12月26日,下午08:53:28»
 
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« 在以下方面回复#4: 2020年12月27日,上午03:51:35»
为简单起见,共模抑制与两个分压器的失配成正比。
不匹配:CMMR:
10%产生20dB
1%    results 在 40dB
0.1%产生60dB
0.01%产生80dB

除了有两个分压器外,最坏的情况是坏的两倍,少了6dB。
 
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« 在以下问题上回复#5: 2020年12月27日,下午12:07:12»
电池上不需要统一的增益缓冲器,该缓冲器已经具有非常低的阻抗,因此可以省去U2至U4及其相关的电流消耗。如果使U6具有与其他差分放大器相同的增益,则U1和U5也可以走。增益为1的差分放大器的共模范围将扩展到正轨,因为运算放大器的输入将永远不会超过电源电压的一半。

电阻值也可以增加一个数量级,以将功耗降低一半。如果100k的输出阻抗过高,请使用LM324封装中的备用运算放大器对其进行缓冲,但是上升下降时间会更长,因此可以'不能达到正轨。当输出变低时,请考虑使用功率较低的比较器和运算放大器,或添加电路以完全断开电池连接。

« 最后编辑:2020年12月27日,下午12:09:00通过Zero999 »
 
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« 在以下方面回复#6: 2020年12月27日,晚上08:00:00»
这里'这是我解决问题的数学方法-我想有一些工程捷径可用来解决问题。

下面对差分放大器进行分析:

//www.electronicshub.org/differential-amplifier/

我们有

$$ V_o = \ frac {\ left(1 + R_3 / R_1 \ right)} {\ left(1 + R_2 / R_4 \ right)} V_2-\ frac {R_3} {R_1} V_1 $$

设置\ $ a = R_3 / R_1 \ $和\ $ b = R_2 / R_4 \ $。对于10%的公差,零件a和b将在[0.82,1.22]范围内。

用\ $ a \ $和\ $ b \ $重写\ $ V_o \ $给我们:

$$
V_o = \ left(\ frac {1 + a} {1 + b} \ right)V_2-一个V_1
$$

会有两种误差-共模误差和增益误差。 We can analyze them by writing \$V_o = A (V_2+V_1) + B (V_2 - V_1)\$. Ideally A will be 0 and B will be 1. Solving 对于 A and B 在 terms of a and b yields:

\ begin {align *}
A &= \ frac {1} {2} \ left(\ frac {1 + a} {1 + b} \ right)  - a \\
     &= \ frac {a} {2} \ left(\ frac {1} {\ left(b + 1 \ right)}-1 \ right)+ \ frac {1} {2 \ left(b + 1 \ right) } \\
\ end {align *}
类似地,我们发现
\ begin {align *}
B & = \ frac {1} {2}(\ frac {1 + a} {1 + b})  + a \\
   & = \ frac {a} {2} \ left(\ frac {1} {\ left(b + 1 \ right)} + 1 \ right)+ \ frac {1} {2 \ left(b + 1 \ right)} \\
\ end {align *}

从这些公式中,您应该能够使自己确信A的极值出现在a = b = 0.82和a = b = 1.22时,其中A分别为9%和-11%。对于B,极限值出现在a,b = 0.82,1.22和1.22,0.82处,其中B达到0.82和1.22。

总而言之,在输出端可以看到高达输入电压总和的+/- 10%,外加差值的80%至122%。当然,这两个错误是相关联的,所以您赢了'不能同时看到这两个极端。

实际上,您可以通过简单地测量和选择R1 / R3和R2 / R4的匹配电阻来将这些误差降至最低。如果您将它们的误差控制在1%之内,则A和B的误差约为0.5%。



感谢您的解释,但我迷路了"会有两种误差-共模误差和增益误差。"我需要清楚地学习基础知识。我以为'就像从数据手册中选择CMRR值并将其插入方程式并获得输出电压的最差值一样容易。显然,这里有许多事情在起作用,它决定了总错误。

当然,我将使用1%的电阻器。

快速问题:-如果输入电压V1和V2之间的差异较大,那么与输入电压中的较低差异相比,它会导致较少的误差吗?

该电路可能会从电池组汲取约3mA的电流,这意味着您将必须小心,不要在相当长的时间内不使用电池。

是的,它可能会消耗超过3mA的电流,而一个TL431至少需要1mA的电流。我猜'不使用高档芯片完成这项工作的缺点。尽管这里的Zero9999进一步改善了电路。


电阻容差会影响共模抑制,如以下链接所示:

//e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive/2013/10/29/what-you-need-to-know-about-cmrr-the-instrumentation-amplifier-part-2

为简单起见,共模抑制与两个分压器的失配成正比。
不匹配:CMMR:
10%产生20dB
1%    results 在 40dB
0.1%产生60dB
0.01%产生80dB

除了有两个分压器外,最坏的情况是坏的两倍,少了6dB。


有趣的阅​​读!

电池上不需要统一的增益缓冲器,该缓冲器已经具有非常低的阻抗,因此可以省去U2至U4及其相关的电流消耗。如果使U6具有与其他差分放大器相同的增益,则U1和U5也可以走。增益为1的差分放大器的共模范围将扩展到正轨,因为运算放大器的输入将永远不会超过电源电压的一半。

电阻值也可以增加一个数量级,以将功耗降低一半。如果100k的输出阻抗过高,请使用LM324封装中的备用运算放大器对其进行缓冲,但是上升下降时间会更长,因此可以'不能达到正轨。当输出变低时,请考虑使用功率较低的比较器和运算放大器,或添加电路以完全断开电池连接。



显然,这是一个更好的电路,谢谢。是的,没有负载电流约为3-4mA,这是很高的。更好的运算放大器和比较器是一种解决方案。我确实用此信号关闭了一个P通道MOSFET,该信号将VCC线路切断到负载,但是这些运算放大器和比较器在P通道MOSFET之前连接。我如何完全断开电池的连接,就像所有四根导线B1 +,B2 +,B3 +和VCC以及运放和比较器的电源一样?是在通过晶体管之后给他们供电是一个好方法,还是有不利之处?

我确实有一个主电源开关,但是在电池切断信号之后要达到零静态(这是我试图做到的,虽然不是很重要),却很难。继电器是诱人的选择。 :-/O

如果有兴趣,这是下面的电路:



LTspice文件



 

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« 在以下方面回复#7: 昨天 在上午11:34:53»
您应该能够通过M1为运算放大器和比较器供电'源连接。增益为1的差分放大器将在其输入略高于正轨的情况下工作,因此它'没问题。 LM324和LM339都可以承受其输入上电,而+ V引脚不上电。唯一需要考虑的问题是,当芯片未上电时,LM324的输出引脚可能无法忍受,通过200k连接到16V,但是从每个输出到+ V引脚的二极管可以解决这一问题。

这是需要面包板的东西。它可能无法在仿真中工作,因为SPICE模型无法很好地仿真行为或未加电的IC。
« 最后编辑: 昨天 在Zero999的12:26:35 pm »
 

线上 黑森

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« 在以下方面回复#8: 今天 在上午03:55:44»
奇怪的是,就像您对二极管所说的那样,我在面包板上做了精确的跟随电路,以检查任何影响。



唯一需要考虑的问题是,当芯片未上电时,LM324的输出引脚可能无法忍受,通过200k连接到16V,但是从每个输出到+ V引脚的二极管可以解决这一问题。

我不'不了解二极管的使用。如何预防?在面包板上, 当我断开VCC电源时,如果没有二极管,则输出引脚上的电压为1V,运算放大器的V +上的电压为200mV。's在输出引脚上为840mv,在V +引脚上为330mV。那是应该的样子吗?

 

线上 黑冰

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« 在以下问题上回复#9: 今天 在04:55:44上午»
听起来像你'重新尝试重新创建BMS。除非您愿意进行学术练习,否则购买BMS芯片或BMS PCB会更容易。
 


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