開發者經常將通用運算放大器用於電流檢測應用，這些傳統運算放大器成本低，用於無數應用。然而，有時開發者會發現這些運算放大器在電流檢測電路中出現故障。進一步檢查退回的運算放大器元件時，它們如預期運作。那麼問題出在哪裡？這是因為運算放大器名為「通用」並不意味著「可用於所有用途」。電流檢測通常用於電源管理和過電流保護應用，必須精準。假設檢測結果不精準，那麼當手機電量快耗盡時，電量指示可能是8%；可能設計在100A觸發的過電流電路，卻發現保護電路在150A才啟動，所有下游元件都被損壞，這就是通用和精準的區別。
一個精準運算放大器的關鍵是輸入偏移電壓(Input Offset Voltage)，其共模排斥比(CMRR)和電源抑制比(PSRR)也有更好的規格，但這兩個參數都可當作隨共模電壓或電源電壓變化的輸入偏移電壓。輸入偏移電壓是每一個運算放大器輸入的固有偏移，是由於製造技術引起輸入電晶體些微地不匹配。
傳統通用運算放大器(如LM321)有VOS=±7mV(最大值)，現代通用運算放大器(如NCS20071)有VOS=±3.5mV(最大值)，此最大規格分布在零附近。這說明大多時候隨機選擇的元件將表現出近零偏位。可以堅信，原型電路與常用的運算放大器一起完美運作，但當電路進入量產時，可能會發現發生故障的比例相當大。這是因為製造技術產生元件間變異(Part-to-part Variation)，且一些元件接近限值。應始終為電路設計最大輸入偏移電壓。有時看到開發者忘記檢查電路在最壞情況下的限值：輸入偏移電壓限值、CMRR限值、電阻網路容差、溫度效應等。
精準運算放大器具多重優勢
相較於通用運算放大器，市面上新推出的精準運算放大器(如NCS21911)由於其截波穩定式結構，最大偏移VOS=±25μV(微伏)。偏移電壓實際上產生多少差異？考慮這樣一種狀況：分路壓降為固定的50mV，如圖1所示。
圖1 對比輸入偏移電壓和由此產生的輸出偏移誤差(Offset Erro)。輸入偏移電壓7mV和3.5mV的放大器具有明顯的輸出偏移誤差。
也可以再更仔細看看圖2中VOS=7mv的範例。透過選擇精準運算放大器，輸入偏移電壓造成的誤差在這電路範例中幾乎可忽略不計。它不僅提高了輸出精準度，甚至還有一些餘量來減小檢測電阻尺寸，並仍保持所需的精準度。
圖2 低位電流檢測和輸入偏移電壓造成輸出誤差。
由於低偏移電壓支援降低檢測電阻值，同時保持相同的精準度，如圖3所示，效率得以大大提高。當檢測電阻尺寸縮小時，檢測電阻功耗更少，這意味著可以使用更低瓦特和更低成本的電阻，而物理尺寸更小的檢測電阻最終佔用PCB的空間更少，提高了系統的整體能效，少了損耗。
圖3 對比固定精準度要求下輸入偏移電壓和由此產生的分路壓降(Shunt Drop)。分路壓降越小，效率越高。
輸出精準度 物料成本再降低
在許多應用中，流過檢測電阻器的負載電流是可變的。有時當開發者嘗試在0A附近進行電流測量時，會發現誤差顯著增加；這是正常的，且是可預期的。當電流降至零時，誤差百分比變為無盡大。這電流檢測電路用於測量電流；不是用於在沒有電流時的精準測量。圖4顯示了精準度如何隨著電流增加而提高。注意由於輸入偏移電壓導致的誤差變化。即使當檢測電壓降低時，NCS21911的25μV偏移也支援相對精準的測量。
圖4 由於輸入偏移電壓造成的誤差。
似乎在效率和精準性上的小改進可以節省物料費用、印刷電路板(PCB)成本和電費。雖然選擇較便宜的運算放大器可能會在前期省一些錢，但考慮到透過採用價格合理的精準運算放大器，最終系統級的節省可能成為一大優勢。
在許多應用中，通用運算放大器會正常運作，即使傳統的LM321也可在已設計相應電路的電流檢測應用中運作。而對於低位電流檢測，轉向精準運算放大器提高了精準度和系統能效。
(本文作者任職於安森美)