Question

根据此原理图，在 VCC/2 处使用 12V 供电，我原本预计 ADC_IN 接近 0V，但实际约为 0.75V。理想情况下，当反相和非反相输入相等时，ADC_IN 将为零。这将用于测量 4-20mA 的电流，将其转换为 0-1V 输出，但这个偏移量太高了。LM358 是否不合适？

Accepted Answer

如果该电路正常工作，那么负反馈将确保反相和非反相输入具有相同的电位，在本例中约为 +3V。你会期望 $V_{O U T} = 0 V$ V_{OUT}=0V然后，运算放大器必须通过 R24 吸收所有电流，即：

我 24 号 = 五 我 否 五 - 五 欧 ​ 电视 R 24 = （ + 3 伏 ) - （ 0 伏 ） 1 千 欧姆 = 3 米 ​

I_{R24} = \frac{V_{INV}-V_{OUT}}{R_{24}} = \frac{(+3V)-(0V)}{1k\Omega} = 3mA

事实上，对于这款运算放大器或许多运算放大器来说，这实在是太多了。即使它们声称具有“轨到轨”输出，或“包括地”的输出电压范围，当吸收超过微安的电流时，它们根本无法使其输出接近地。

（第 16 页）的图 5-12 中，我们可以看到 LM358 输出在吸收电流时可以离地有多近：

如你所见，当吸收 3mA 电流时，输出不会下降太多 $V_{-} + 1 V = + 1 V$ V_- + 1V=+1V，这正是您的经历。

不幸的是，除非你给这个运算放大器提供一个负电源，比如 -2V 或更大，否则你不可能实现让这个运算放大器输出零伏的目标。如果没有这样的负电源，你可以接近零伏，但仍然无法达到零伏，有两种简单的方法：

通过增加反馈电阻 R24 和所有其他外围电阻来降低输出电流要求。如果它们都是 10kΩ，输出电流将减少 10 倍。无论你最终采用哪种解决方案，你都应该这样做，因为 1kΩ 对于此类应用中的电阻来说太低了。事实上，尝试使用 $R_{21} = R_{22} = R_{23} = R_{24} = 100 k Ω$ R_{21}=R_{22}=R_{23}=R_{24}=100k\Omega，看看 LM358 的输出在实际生活中能达到多低。做好失望的准备吧。
通过在运算放大器输出和地之间添加一个电阻来完成部分工作，可以减轻吸收所有电流的责任。如果您愿意，可以将其称为“下拉”电阻。当输出应该超过 +3V 时，该电阻不应使输出过载，因此请根据某个最大输出电流（例如 5mA）进行计算：
$R 磷乌 LL DOW 否 = + 3.3 伏 5 米 \approx 680 Ω$
R_{PULLDOWN}=\frac{+3.3V}{5mA} \approx 680\Omega

如果运算放大器的负电源为 0V，则根本无法使其输出 0V ，对此你也无能为力。显而易见的解决方案是使用远低于0V 的真正负电源为运算放大器供电。

驱动 ADC 时，最简单的解决方案就是妥协。如果您知道运算放大器的输出电压下限为 +0.1V（如果输出电流只有微安，这是合理的），那么设计系统以产生精确的电压，而不是更低的电压，并在软件中补偿偏移。当然，您会损失 0.1V 的 ADC 转换范围，但与仅为单个运算放大器构建负电源相比，这只是一个小小的代价。

我不确定，但我相信这是 4-20mA 标准的制定者选择停止在 4mA 而不是零的原因之一。这意味着电流检测放大器永远不需要输出 0V（或更低），因此可以由单端电源供电。另一个原因是，当系统发现电流明显小于 4mA 或根本没有电流时，它可以识别故障情况（可能是传感器断开连接）。

感谢您的详细解释。发布后，今天早上我考虑添加负电源，但我真的想避免这样做，因为 PCB 上没有其他东西需要它。我会按照您的建议进行修改。干杯。 —

Answer 2

LM358 的负电源引脚V-4 连接至GND。

查看 TI LM358负轨 (V–) 的V _O 电压输出摆幅与轨参数的关系为：

这意味着，当输出电流为 5 mA 时，LM558 输出通常只能达到负轨 (本例中为 GND) 的 0.75 V 以内。当输出电流较低时，输出电压可以更接近负轨。

一个选择是将V-负电源改为小于 0 V。

类似问题有另一种建议：

您可以在线搜索“单电源”运算放大器。有些运算放大器带有“微调选项”，可帮助消除任何电压输出摆动 –

Answer 3

LM358 是不是不合适？

这是合适的，只要了解它的工作原理。LM358 有一个 B 类输出级，带有 100μA 电流吸收负载。输出级不会吸收低于 0.7V 的电流 – 所有电流都由 100μA 吸收器提供。

因此，为了通过 ADC 的明显负载将电压降至 0V，您需要一个下拉电阻，或者更好的是，需要一个配置为略大于 0.1mA 电流的下拉电流源。

实际上，双晶体管电流吸收器工作良好，因为吸收器两个分支上的集电极电压大致相同（0.7V 对 0V..3V – 对澳大利亚来说已经足够好了）。

对于 358 的弱输出来说，1kΩ 电阻有点太低 – 我建议改用 10kΩ。

因此，像这样的电路可以正常工作：

^{– 使用}

这将用于测量 4-20mA 电流，并将其转换为 0-1V 输出

鉴于电路目前配置为基本不执行任何操作，我不确定这将如何工作。但我可以建议一个略有不同的方法，它将工作得相当好：

电流与电压的关系是负的，但这不是问题，而且很容易在固件中解决。范围的两端都向 0.5V 移动了一点，这样它们就完全在 0.000V 到 1.000V ADC 范围内了：

该电路的特点如下：

输入电压为恒定的 1V – 足够低，可以容纳几乎任何 4-20mA 传感器。
运算放大器在其线性范围内运行良好，输出负载最小。这最大化了其直流增益，从而最大化了响应的线性度。
ADC 的输入端有一个相对较低的电阻源。这对于大多数 ADC 来说都是理想的。
对于 0mA 或更高的输入电流，ADC 输入电压本质上限制在 0V..1.5V 范围内。
不存在依赖于严格电阻匹配的共模误差。传统的单、双和三运算放大器仪表/差分放大器存在该问题。

通过在传感器和输入之间添加串联电阻以及基于晶体管的钳位，可以进一步保护电路免受输入电源短路的影响。

1.01V 电源可来自 ADC 参考电压，或任何其他合适的参考电压，例如通过分压古老的 TL431 的输出。

在所有此类电路中，每个设备中的静态增益和偏移都必须校准。即您需要将受控的 4mA 和 20mA 应用于输入，并让 MCU 将 ADC 读数存储在非易失性存储器中。然后这些范围端点将用于将 ADC 读数转换为电流。

基于固件的校准比调整电阻器更容易处理。R1、R2、R3 和 R4 应为 1% 或更好的金属或薄膜。R5 和 R6 可稳定运算放大器，并且不太敏感。5% 厚膜就足够了。

“我不确定这会如何工作，因为电路目前配置为基本上不做任何事情。”是的，我修改了原理图（并进行了测试），以演示两个（基本上）相同的电压导致 0.75V 偏移的问题。实际电路包括分流电阻等，这不会对这个问题产生影响。谢谢。 —

Answer 4

如果将电阻 R21 至 R24 从 1k 欧姆增加到 250k 欧姆，内部电流吸收器（，但通常要高得多）将能够将输出降至 200mV 以下。如果我们将最大 Ios 设为 150nA，则由于电阻增加而导致的最大输出误差（将表现出温度敏感性并因单位而异）将为 38mV。这比运算放大器 Vos 差 10 倍左右，但对您来说可能已经足够了。

运算放大器 – 为什么这个运算放大器电路在 ADC 输出端输出 0.75V？ – 电子工程

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