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探討運放在額溫槍應用中的幾個問題
2020-4-14 00:00 來源:原創   編輯:聚洵半導體科技(上海)有限公司

3月12號,世界衛生組織宣布新冠肺炎為全球性流行病??挂哒龔闹袊摹叭嗣駪馉帯弊兂梢粓觥笆澜绱髴稹?,很多事情正在微妙和快速的變化。額溫槍和口罩一樣,成為抗疫以及復產復工必不可少的日常用品,額溫槍成了市場上炙手可熱的產品,很多廠家開始步入這個市場。


額溫槍也有很多種方案,比如SoC方案,數字傳感器方案以及通用MCU+高精度運放方案。其中通用MCU+高精度運放方案是比較容易量產的方案,其他方案現在都面臨著產能不足的缺陷。為了加快廣大廠家的研發進度,本文以問答形式整理了運放在額溫槍應用設計中應該注意的幾個問題。


 

問題1:否只能選擇失調電壓為10uV以下的高精度運放?



答:上圖是某款額溫槍使用到的量產方案示意圖,從圖中可以看到,為了讓運放穩定工作,需要給運放一個穩定的靜態工作點,例如本圖中的1.25V,熱電堆沒有信號輸出時,運放的輸出等于:Vo=1.25V+Vos*511,其中,511是運放電路的放大倍數,失調電壓Vos以及熱電堆信號VTH均被運放電路放大。

GS8331的最大失調是10uV,在靜態時,片與片的Vo輸出在1.25上下變化5.11mV;GS8551和GS8591的最大失調是30uV,在靜態時,片與片的Vo輸出在1.25V上下變化15.33mV。

當運放芯片焊接到電路板時,Vos就已經固定了,假設焊接的GS8551的Vos等于5uV,Vo的靜態輸出固定等于Vo=1.25V+5uV*511=1.252555V,在這把額溫槍測試人體溫度時,Vo=1.252555V+VTH*511,額溫槍出廠校準時會把1.25V+Vos*511這個值存儲起來,并且每次測溫的時候,輸出值減掉這個存儲值就等于VTH*511,因此可以準確反應VTH*511這個所需要的信號,因此不一定需要Vos很小的高精度運放。

當然,Vos也不能選用太大,因為Vos太大會導致運放電路的輸出動態范圍變小,影響額溫槍的溫度測試范圍。


問題2:高精度運放的輸入失調電壓溫度漂移對額溫槍的應用有什么影響?

答:醫用額溫槍的國家標準中規定

1. 環境溫度16°C~35°C

2. 溫度顯示范圍35°C~42°C,最大誤差±0.2°C。


環境溫度從16°C到35°C,差值為19攝氏度,如果選用普通的運放,溫度漂移一般在2uV-3uV每攝氏度,因此在19攝氏度的范圍內,輸入失調電壓Vos會漂移38uV-57uV,而市場上常見的熱電堆傳感器,1攝氏度產生的信號一般是幾十個uV,以80uV舉例,±0.2°C 對應±16uV的漂移,所以如果使用普通運放的話,單單運放引入的誤差就超過了國家標準。


而聚洵半導體零漂移運放的溫漂最大值為50nV/°C,輸入失調電壓Vos在國家標準的溫度范圍內最大漂移0.95uV,遠小于16uV的國家標準,因此在額溫槍應用中,必須選用零漂移運放。

 

問題3:額溫槍對高精度運放的帶寬有什么要求?

答:額溫槍在測試人體溫度時,并不需要很高的頻率,因此在設計運放電路時,可以通過外圍電路來限定運放環路的帶寬,從而抑制高頻噪聲,因此一般會在反饋電阻上并一個比較大的反饋電容。
如問題1所示的電路圖中,只要運放的帶寬足夠大,那么環路的帶寬由Cf和Rf所組成的極點來決定。
問題1圖中,fp=1/(2πRfCf)=1/(6.28*100nF*510K)=3.12Hz
聚洵半導體的高精度運放GS8331的帶寬是350K,GS8552的帶寬是1.8M,GS8591的帶寬是4.5M,都遠遠大于3.12Hz,因此上述三種高精度運放都可以用在額溫槍應用中。

 

問題4:Vref的電壓怎么產生?

答:Vref電壓可以由以下三種方式產生:


1. 單獨的LDO或者基準芯片產生
這種方式需要單獨增加芯片,會增加整個方案的bom成本,而且因為一般的LDO以及基準芯片的輸出都是固定電壓的,調整Vref電壓不是很靈活。
2. 兩個電阻分壓產生
使用這種方式,分壓電阻不能取得太大,否則驅動能力不夠,會造成測量誤差。


如上圖所示,假設R2是12.5K,R1是17.5K,Vref電壓等于1.25V,當傳感器測量溫度產生的信號是1mV時,1mV的壓差在Ri產生的電路是1uA,1uA需要通過R1和R2以及傳感器流出,而傳感器的阻抗很高,所以大部分電流必須通過R1和R2流出,因此勢必造成Vref改變,具體算法如下:(3-Vref)/R1=1uA+Vref/R2,帶入R1和R2的阻值,可以算出Vref=1.242V,比實際的Vref減小8mV,折算到傳感器VTH的信號端為8mV/511=15.6uV,即每mV的壓差影響15.6uV的精度,因此會直接影響溫度測試的準確性。
為了解決這個問題,可以把電阻取小一些,比如R2=1.25K和R1=1.75K,但這兩個分壓電阻引入的功耗等于1mA,大大增加整個系統的功耗。
3. 兩個電阻分壓并且增加一個電壓buffer產生

使用這種方式,可以增加R1和R2的阻值來減小功耗,并且通過buffer來增加驅動能力,但是R1和R2的阻值也不能選太高,否則電阻引入的噪聲也會變大。
這種方式需要引入1路運放,再加上放大電路需要1路運放,因此可以使用一個2路運放來實現整體方案,可以選用聚洵半導體雙通道運放GS8552,GS8592,GS8332實現。