探討運(yùn)放在額溫槍應(yīng)用中的幾個(gè)問(wèn)題
3月12號(hào)，世界衛(wèi)生組織宣布新冠肺炎為全球性流行病?？挂哒龔闹袊?guó)的“人民戰(zhàn)爭(zhēng)”變成一場(chǎng)“世界大戰(zhàn)”，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(fù)產(chǎn)復(fù)工必不可少的日常用品，額溫槍成了市場(chǎng)上炙手可熱的產(chǎn)品，很多廠家開(kāi)始步入這個(gè)市場(chǎng)。
額溫槍也有很多種方案，比如SoC方案，數(shù)字傳感器方案以及通用MCU+高精度運(yùn)放方案。其中通用MCU+高精度運(yùn)放方案是比較容易量產(chǎn)的方案，其他方案現(xiàn)在都面臨著產(chǎn)能不足的缺陷。為了加快廣大廠家的研發(fā)進(jìn)度，本文以問(wèn)答形式整理了運(yùn)放在額溫槍應(yīng)用設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的幾個(gè)問(wèn)題。
問(wèn)題1：是否只能選擇失調(diào)電壓為10uV以下的高精度運(yùn)放？
答：上圖是某款額溫槍使用到的量產(chǎn)方案示意圖，從圖中可以看到，為了讓運(yùn)放穩(wěn)定工作，需要給運(yùn)放一個(gè)穩(wěn)定的靜態(tài)工作點(diǎn)，例如本圖中的1.25V，熱電堆沒(méi)有信號(hào)輸出時(shí)，運(yùn)放的輸出等于：Vo=1.25V+Vos*511，其中，511是運(yùn)放電路的放大倍數(shù)，失調(diào)電壓Vos以及熱電堆信號(hào)VTH均被運(yùn)放電路放大。
GS8331的最大失調(diào)是10uV，在靜態(tài)時(shí)，片與片的Vo輸出在1.25上下變化5.11mV；GS8551和GS8591的最大失調(diào)是30uV，在靜態(tài)時(shí)，片與片的Vo輸出在1.25V上下變化15.33mV。
當(dāng)運(yùn)放芯片焊接到電路板時(shí)，Vos就已經(jīng)固定了，假設(shè)焊接的GS8551的Vos等于5uV，Vo的靜態(tài)輸出固定等于Vo=1.25V+5uV*511=1.252555V，在這把額溫槍測(cè)試人體溫度時(shí)，Vo=1.252555V+VTH*511，額溫槍出廠校準(zhǔn)時(shí)會(huì)把1.25V+Vos*511這個(gè)值存儲(chǔ)起來(lái)，并且每次測(cè)溫的時(shí)候，輸出值減掉這個(gè)存儲(chǔ)值就等于VTH*511，因此可以準(zhǔn)確反應(yīng)VTH*511這個(gè)所需要的信號(hào)，因此不一定需要Vos很小的高精度運(yùn)放。
當(dāng)然，Vos也不能選用太大，因?yàn)閂os太大會(huì)導(dǎo)致運(yùn)放電路的輸出動(dòng)態(tài)范圍變小，影響額溫槍的溫度測(cè)試范圍。
問(wèn)題2：高精度運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓溫度漂移對(duì)額溫槍的應(yīng)用有什么影響？
答：醫(yī)用額溫槍的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定
1. 環(huán)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(huán)境溫度從16°C到35°C，差值為19攝氏度，如果選用普通的運(yùn)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(nèi)，輸入失調(diào)電壓Vos會(huì)漂移38uV-57uV，而市場(chǎng)上常見(jiàn)的熱電堆傳感器，1攝氏度產(chǎn)生的信號(hào)一般是幾十個(gè)uV，以80uV舉例，±0.2°C 對(duì)應(yīng)±16uV的漂移，所以如果使用普通運(yùn)放的話，單單運(yùn)放引入的誤差就超過(guò)了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
而聚洵半導(dǎo)體零漂移運(yùn)放的溫漂最大值為50nV/°C，輸入失調(diào)電壓Vos在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的溫度范圍內(nèi)最大漂移0.95uV，遠(yuǎn)小于16uV的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，因此在額溫槍應(yīng)用中，必須選用零漂移運(yùn)放。
問(wèn)題3：額溫槍對(duì)高精度運(yùn)放的帶寬有什么要求？
答：額溫槍在測(cè)試人體溫度時(shí)，并不需要很高的頻率，因此在設(shè)計(jì)運(yùn)放電路時(shí)，可以通過(guò)外圍電路來(lái)限定運(yùn)放環(huán)路的帶寬，從而抑制高頻噪聲，因此一般會(huì)在反饋電阻上并一個(gè)比較大的反饋電容。
如問(wèn)題1所示的電路圖中，只要運(yùn)放的帶寬足夠大，那么環(huán)路的帶寬由Cf和Rf所組成的極點(diǎn)來(lái)決定。
問(wèn)題1圖中，fp=1/(2πRfCf)=1/(6.28*100nF*510K)=3.12Hz
聚洵半導(dǎo)體的高精度運(yùn)放GS8331的帶寬是350K，GS8552的帶寬是1.8M，GS8591的帶寬是4.5M，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于3.12Hz，因此上述三種高精度運(yùn)放都可以用在額溫槍應(yīng)用中。
問(wèn)題4：Vref的電壓怎么產(chǎn)生？
答：Vref電壓可以由以下三種方式產(chǎn)生：
1. 單獨(dú)的LDO或者基準(zhǔn)芯片產(chǎn)生
這種方式需要單獨(dú)增加芯片，會(huì)增加整個(gè)方案的bom成本，而且因?yàn)橐话愕腖DO以及基準(zhǔn)芯片的輸出都是固定電壓的，調(diào)整Vref電壓不是很靈活。
2. 兩個(gè)電阻分壓產(chǎn)生
使用這種方式，分壓電阻不能取得太大，否則驅(qū)動(dòng)能力不夠，會(huì)造成測(cè)量誤差。
如上圖所示，假設(shè)R2是12.5K，R1是17.5K，Vref電壓等于1.25V，當(dāng)傳感器測(cè)量溫度產(chǎn)生的信號(hào)是1mV時(shí)，1mV的壓差在Ri產(chǎn)生的電路是1uA，1uA需要通過(guò)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(guò)R1和R2流出，因此勢(shì)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(shí)際的Vref減小8mV，折算到傳感器VTH的信號(hào)端為8mV/511=15.6uV，即每mV的壓差影響15.6uV的精度，因此會(huì)直接影響溫度測(cè)試的準(zhǔn)確性。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以把電阻取小一些，比如R2=1.25K和R1=1.75K，但這兩個(gè)分壓電阻引入的功耗等于1mA，大大增加整個(gè)系統(tǒng)的功耗。
3. 兩個(gè)電阻分壓并且增加一個(gè)電壓buffer產(chǎn)生
使用這種方式，可以增加R1和R2的阻值來(lái)減小功耗，并且通過(guò)buffer來(lái)增加驅(qū)動(dòng)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(huì)變大。
這種方式需要引入1路運(yùn)放，再加上放大電路需要1路運(yùn)放，因此可以使用一個(gè)2路運(yùn)放來(lái)實(shí)現(xiàn)整體方案，可以選用聚洵半導(dǎo)體雙通道運(yùn)放GS8552，GS8592，GS8332實(shí)現(xiàn)。
