【经验】解析运放在额温枪应用设计中应该注意的问题

时间： 2021-09-23 来源：聚洵

近日，世界卫生组织宣布新冠肺炎为全球性流行病。抗疫正从中国的“人民战争”变成一场“世界大战”，很多事情正在微妙和快速的变化。额温枪和口罩一样，成为抗疫以及复产复工必不可少的日常用品，额温枪成了市场上炙手可热的产品，很多厂家开始步入这个市场。

额温枪有很多种方案，比如SoC方案，数字传感器方案以及通用MCU+高精度运放方案。其中通用MCU+高精度运放方案是比较容易量产的方案，其他方案现在都面临着产能不足的缺陷。为了加快广大厂家的研发进度，本文聚洵以问答形式整理了运放在额温枪应用设计中应该注意的几个问题。

问题1：是否只能选择失调电压为10uV以下的高精度运放？

答：上图是某款额温枪使用到的量产方案示意图，从图中可以看到，为了让运放稳定工作，需要给运放一个稳定的静态工作点，例如本图中的1.25V，热电堆没有信号输出时，运放的输出等于：Vo=1.25V+Vos*511，其中，511是运放电路的放大倍数，失调电压Vos以及热电堆信号V_TH均被运放电路放大。

GS8331的最大失调是10uV，在静态时，片与片的Vo输出在1.25上下变化5.11mV；GS8551和GS8591的最大失调是30uV，在静态时，片与片的Vo输出在1.25V上下变化15.33mV。

当运放芯片焊接到电路板时，Vos就已经固定了，假设焊接的GS8551的Vos等于5uV，Vo的静态输出固定等于Vo=1.25V+5uV*511=1.252555V，在这把额温枪测试人体温度时，Vo=1.252555V+V_TH*511，额温枪出厂校准时会把1.25V+Vos*511这个值存储起来，并且每次测温的时候，输出值减掉这个存储值就等于V_TH*511，因此可以准确反应V_TH*511这个所需要的信号，因此不一定需要Vos很小的高精度运放。

当然，Vos也不能选用太大，因为Vos太大会导致运放电路的输出动态范围变小，影响额温枪的温度测试范围。

问题2：高精度运放的输入失调电压温度漂移对额温枪的应用有什么影响？

答：医用额温枪的国家标准中规定

1. 环境温度16°C~35°C

2. 温度显示范围35°C~42°C，最大误差±0.2°C。

环境温度从16°C到35°C，差值为19摄氏度，如果选用普通的运放，温度漂移一般在2uV-3uV每摄氏度，因此在19摄氏度的范围内，输入失调电压Vos会漂移38uV-57uV，而市场上常见的热电堆传感器，1摄氏度产生的信号一般是几十个uV，以80uV举例，±0.2°C 对应±16uV的漂移，所以如果使用普通运放的话，单单运放引入的误差就超过了国家标准。

而聚洵半导体零漂移运放的温漂最大值为50nV/°C，输入失调电压Vos在国家标准的温度范围内最大漂移0.95uV，远小于16uV的国家标准，因此在额温枪应用中，必须选用零漂移运放。

问题3：额温枪对高精度运放的带宽有什么要求？

答：额温枪在测试人体温度时，并不需要很高的频率，因此在设计运放电路时，可以通过外围电路来限定运放环路的带宽，从而抑制高频噪声，因此一般会在反馈电阻上并一个比较大的反馈电容。
如问题1所示的电路图中，只要运放的带宽足够大，那么环路的带宽由Cf和Rf所组成的极点来决定。
问题1图中，fp=1/(2πR_fC_f)=1/(6.28*100nF*510K)=3.12Hz
聚洵半导体的高精度运放GS8331的带宽是350K，GS8552的带宽是1.8M，GS8591的带宽是4.5M，都远远大于3.12Hz，因此上述三种高精度运放都可以用在额温枪应用中。

问题4：Vref的电压怎么产生？

答：Vref电压可以由以下三种方式产生：

1. 单独的LDO或者基准芯片产生
这种方式需要单独增加芯片，会增加整个方案的bom成本，而且因为一般的LDO以及基准芯片的输出都是固定电压的，调整Vref电压不是很灵活。
2. 两个电阻分压产生
使用这种方式，分压电阻不能取得太大，否则驱动能力不够，会造成测量误差。

如上图所示，假设R2是12.5K，R1是17.5K，Vref电压等于1.25V，当传感器测量温度产生的信号是1mV时，1mV的压差在Ri产生的电路是1uA，1uA需要通过R1和R2以及传感器流出，而传感器的阻抗很高，所以大部分电流必须通过R1和R2流出，因此势必造成Vref改变，具体算法如下：（3-Vref）/R1=1uA+Vref/R2，带入R1和R2的阻值，可以算出Vref=1.242V，比实际的Vref减小8mV，折算到传感器V_TH的信号端为8mV/511=15.6uV，即每mV的压差影响15.6uV的精度，因此会直接影响温度测试的准确性。
为了解决这个问题，可以把电阻取小一些，比如R2=1.25K和R1=1.75K，但这两个分压电阻引入的功耗等于1mA，大大增加整个系统的功耗。
3. 两个电阻分压并且增加一个电压buffer产生

使用这种方式，可以增加R1和R2的阻值来减小功耗，并且通过buffer来增加驱动能力，但是R1和R2的阻值也不能选太高，否则电阻引入的噪声也会变大。这种方式需要引入1路运放，再加上放大电路需要1路运放，因此可以使用一个2路运放来实现整体方案，可以选用聚洵半导体双通道运放GS8552，GS8592，GS8332实现。

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