低功耗设计 - 使用晶体管关闭分压器?

电器工程 晶体管 低电量 分压器
2022-02-01 04:15:44

我有一个非常简单的分压器电路,用于测量铂 100 欧姆电阻器的电阻。

我希望能够从电源中切换分压器电路以节省电力。

这可能吗?

---------------------------+3.3v
              |
              |
          Transistor----low/high
              |
              |
              R1
              |
              |-------to A/D pin
              |
              R2
              |
              |
----------------------------GND
4个回答

您的建议是可能的,但您必须注意一些问题。最大的问题是晶体管不会使测量失真。您没有给出任何精度要求,但假设它是 10 位 A/D,并且您不希望晶体管增加超过 1 个错误计数。在 3.3 V 刻度上,10 位 A/D 的计数为 3.2 mV。在两个电阻相等的情况下,晶体管因此下降不能超过 6.5 mV。这完全排除了双极晶体管。

AP 通道 FET 可以做到这一点。同样,如果您希望晶体管增加的误差不超过 0.1%,则当两个电阻相等时,它需要低于 200 mΩ,在最坏的情况下为一半。

可以找到 100 mΩ P 沟道 FET,但 N 沟道 FET 数量更多,并且具有更好的特性,尤其是在这些低电压下。我会改用 N 通道低压侧开关:

IRLML2502 仅在 2.5 V 栅极驱动下保证最大 80 mΩ,因此几乎不会增加误差。如果需要更低的误差,那么除了分压器之外,您还可以测量 R2 的底部,然后可以在固件中考虑开关上的压降。

添加:

您现在已经通过说您确实在使用桥接电路来改变问题。当使用模拟仪表移动显示测量值时,这是有道理的,但在使用现代微控制器时是不必要的。使用普通的微控制器 A/D,您已经有了一个桥接器,因为 A/D 结果与电源范围成比例。实际上,桥的另一侧是内置在微型中的。使用另一个外部电桥和第二个 A/D 输入只会增加错误。如果您对分压器输出的 0.1% 电压精度感到满意,那么只需使用上面的电路即可。

一些微控制器具有单独的负 A/D 电压参考线。例如,这称为 Microchip PIC 线上的 Vref-。您可以从 R2 的底部驱动 Vref- 以忽略 Q1 两端的电压。但是,请检查 Vref- 引脚的有效范围。这可能不允许高到 Vdd。这实际上是一种情况,您可以使用绝对最大额定值而不是操作值。当传感器电路关闭时,您只关心 A/D 是否损坏,而不是它是否正常工作。当然,如果您将 A/D 用于其他用途,则此方案将不起作用。

更多关于桥梁:

有人建议在这种情况下使用“桥”电路更好,并且可以抵消上述电路中 Q1 的任何电压下降。情况并非如此,至少我对“桥”电路的解释不是这样。以下是我认为这座桥的连接方式:

R1 是被测量的可变电阻传感器。R2、R3 和 R4 是已知值的固定电阻。SW1 是用于在不使用时关闭该电路以节省电力的开关。进行测量时,SW1 关闭。在此原理图中,假设 SW1 是一个完美的开关,R5 单独显示以表示其导通电阻。

桥式电路的目的是在 V1 和 V2 之间提供差分电压。当仪表需要大量电流并且可以直接连接在 V1 和 V2 之间时,这在老式模拟仪表中很有用。请注意,电压 V1-V2 仍与 Vdd 成正比。这个电路不是与 Vdd 无关,因此与通过 R5 的电流引起的电源电压明显误差无关。桥式电路仅在一种情况下独立于 Vdd,即 V1-V2 为零时。这就是为什么使用桥式电路的旧模拟仪表将它们与精确校准的变量 R3 结合起来的原因。您不会将仪表上显示的 V1-V2 测量值用作直接测量值,而是将 R3 设置为反馈,使 V1-V2 为零。在这种特殊情况下,Vdd 无关紧要,V1 和 V2 之间的电表阻抗也无关紧要。

我们今天在这里使用微控制器 A/D 输入的情况完全不同。这些 A/D 不是为差分测量设置的,而且我们也没有经过校准的可靠方法来改变 R3。但是,我们可以针对 GND 到 Vdd 范围进行相当准确的电压测量

如果 R5 为 0,则 V1 处的电压与 Vdd 的比率仅取决于 R1。由于微控制器中的传感器电路和 A/D 都产生并测量相对于 GND 到 Vdd 范围的电压,因此该范围的精确值会被抵消。

唯一的问题是当 R5 在某个范围内不为零且未知时。即使考虑到相对于 Vdd 范围,这也会给 V1 添加一个未知误差。实际上,传感器产生的电压是 Vlow 到 Vdd 范围的固定部分,而微控制器将其测量为 GND 到 Vdd 的固定部分。处理此问题的最简单方法是确保 Vlow 是 Vdd 的足够小部分,以便可以忽略此错误。

使用桥式电路的建议显然是为了同时测量 V1 和 V2 可以消除此误差。如果 R3 和 R4 众所周知,则 V2 是 Vlow 的直接函数,但会被 R4、R3 分压器衰减。可以高精度测量 V2,推断 Vlow,并将结果用于校正 V1 读数。但是,R4、R3 分压器没有优势。如果需要对 Vlow 进行校正,最好直接测量。 在任何情况下,测量 V2 都不会比直接测量 Vlow 更好。由于我们最好测量 Vlow,因此不需要 V2,因此产生 V2 没有意义。因此可以消除 R3 和 R4,留下任何可以称为“桥”电路的东西。

该问题显示了一个简单的电阻分压器,但在评论中您说您使用的是惠斯通电桥。

在此处输入图像描述 在此处输入图像描述

R5是开关元件的电阻。两种设置的测量值都会受到 R5 的影响。对于电阻分压器:

V1=R2+R5R1+R2+R5VDD

很明显,更高的 R5 会增加 V1。对于惠斯通电桥,我们有:

VOUT=(R3R3+R4R2R1+R2)(VDDVLOW)

在哪里

VLOW=R5R5+(R1+R2)(R3+R4)R1+R2+R3+R4)VDD

因此,当 VLOW > 0 时,惠斯通电桥输出也会发生变化。取差值不会抵消 VLOW!,除了在 V1 = V2 的平凡情况下。

如果 R1 是 Pt100 RTD(电阻温度检测器),其电阻为 100.0Ω在 0 °C 和 138.5Ω在 100 °C。我们假设这是所需的测量范围。如果桥中的其他电阻都是 100Ω输出电压在 0 °C 时为 0 V,在 100 °C 时最高。我们可以预期由于 R5 引起的误差在 100 °C 时最高。

在此处输入图像描述

该图显示了由于 R5 电阻从 0 变化而导致的读数误差(以 % 为单位)Ω到 1Ω. 紫色图表是电阻分压器,蓝色图表是惠斯通电桥。惠斯通误差更高!这乍一看可能令人惊讶,但很容易解释:桥的两个分支将 200Ω一个分支,就像分隔线有一个。这意味着电桥的 VLOW 将是两倍高。

该图显示了输出电压读数的误差,我们必须将其计算回温度值。该 FET具有RDS(ON)90 米Ω最大。如果我们将 100 °C 读数计算为电阻为零,我们将得到 99.90 °C。有了这个 FET,有一个 22 mΩ RDS(ON)我们的读数是 99.97 °C。

结论
开关电阻确实会影响读数,但当您使用 FET 时,它会小于 0.1%RDS(ON)< 100 米Ω.

(示意图再次从奥林借来。谢谢,奥林)

如果您已经使用惠斯通电桥(正如您在评论中所说),那么可以使用 MOSFET 开关,因为它只会影响共模电压,而不影响信号。只要确保它不会影响您最终的偏移归零。

电路应该是这样的:

在此处输入图像描述


当然有可能。

但肯定不适合测量电路。取决于rDS你的 MOSFET,你将有一个显着的精度损失。考虑到rDS不是一个稳定也不准确的值,它通常被指定为最大值。

现在问题来了:为什么要使用分压器来测量电阻?您可以使用惠斯通电桥获得更好的精度(并且还可以使用 MOSFET 开关而不会损失精度)

另一个注意事项:最好在将输出信号发送到 ADC 之前使用放大器,否则会大大限制信号的动态范围,并失去精度。如果您想避免双电源,只需一个带有精密运算放大器(不是 741 :))的非反相放大器,轨到轨。

是的,这是可能的——您可以使用源极至 Vdd、漏极至分压器和栅极至 uC 的 P 沟道 MOSFET 或任何您想要控制它的东西。还有一个从栅极到源极的上拉电阻(比如 10K)
然后打开只需将栅极拉到地,关闭让它浮动(将 uC 引脚设置为 Hi-Z)

如前所述,根据您的目标精度,这可能不是可行的方法。这当然不是最准确的,但如果您对此不太在意,那么它是最简单的。
如果您选择具有低 Rds 的 MOSFET 并检查最小值/最大值,那么您可以轻松计算出它如何影响您的读数并做出决定。

编辑 - 阅读评论,如果您正在测量土壤温度并且只需要 0.5 摄氏度的精度,那么我认为DS18B20之类的东西可能比 PT100 更合适且更易于使用。一切都在一个小包装中,用 2 或 3 根电线连接。您也可以在 eBay 上将它们装在方便的防水外壳中 - 这是一个示例