探究应用于电机驱动的隔离运放单端和差分输出对采样性能的影响
other parts discussed in post:amc1200, amc1300, amc1301, amc1311
作者：yuan tan
隔离运放在电机驱动中的应用：
电机驱动器是用来控制各种电机，比如ac变频器，伺服电机的一种控制器。一般是通过位置、速度和力矩三种方式对电机进行控制，实现传动系统定位。高分辨率、精确电压电流测量在需要高性能扭矩和运动控制的工业电机驱动应用中至关重要。因为工业电机驱动器需要满足 (iec) 61800-5-1的电气安全的需求，所以相应需要采取普通或加强型的隔离电路设计。相较于霍尔效应传感器、磁通门传感器与电流互感器， 分流电阻器加隔离运放的方案在线性度、带宽和漂移等性能更好。在电机驱动器中，通常会在功率板用隔离采样运放来对相电流，母线电流和母线电压等进行采样，如下图1：
图1 电机驱动器电压电流采样
下图所示，是使用隔离运放来进行相电流采样的常见结构和内部原理图。
图2 相电流采样的常见结构
应用在该系统里的隔离运放ti明星产品如下表：
表1 应用于电机驱动系统的隔离运放明星产品
料号 描述 链接
amc1200 用于并联测量的 4kv 峰值隔离放大器 https://www.ti.com.cn/product/cn/amc1200
amc1300 用于电流检测的 ±250mv 输入、增强型隔离放大器 https://www.ti.com.cn/product/cn/amc1300
amc1301 具有 ±250mv 输入电压、3µs 延迟的增强隔离式 amc1301 精密放大器 https://www.ti.com.cn/product/cn/amc1301
amc1311 适用于电压检测的 2v 输入增强型高 cmti 隔离放大器 https://www.ti.com.cn/product/cn/amc1311
隔离运放单端和差分输出对采样性能的影响：
运放的差分输出结构因具有更好的抗干扰性而广泛存在，但是后级mcu的adc一般为单端输入，所以常规做法是在靠近mcu内置adc输入的位置，加上一个单端转差分的运放。那么经常会产生疑问，能不能不额外加这个运放，直接将隔离运放的差分输出的一个脚接地，另一个脚接入mcu的内置adc呢？如果这样做，会带来什么问题呢？
我们以amc1311为例来探讨这个问题。
首先，为了更直观地了解amc1311的输出性能，amc1311的差分输出outp和outn的波形可以通过tina仿真电路得到, ti.com提供pspice模型：https://www.ti.com/product/amc1311#design-development
图3 amc1311的tina仿真模型参考电路
输入采样量vin=0~2v正弦，输出波形如下图4，
outp: 1.44~2.44v, δvpp_p=1v
outn: 0.44~1.44v, δvpp_n=1v
out: 0~2v, δvpp=2v
outp和outn的波形以1.44v呈镜像。
图4 amc1311的pspice仿真输出波形
如果将outn悬空或通过电阻接地（注意，输出脚不可以直接接地，接地电阻建议10kΩ），将outp直接接入后级单端输入adc里。带来的影响：
共模输出电压vcmout误差的影响
从amc1311数据手册得知：vcmout=1.44±50mv。若差分结构输出，outn与outp因为互呈镜像，两者相减得到out，vcmout的50mv的误差可以认为相互抵消，忽略不记。但是单端结构则不然。这个±50mv会带来原始的vos误差。对于单端结构，当输入脚短接，out的值理论上为1.44v，如果不是， 那么需要进一步的校准，校准工作一般在mcu的算法中进行。
对后级adc的snr的影响
snr(signal to noise ratio)是重要的ac指标，影响adc的有效位数enob，理想公式为：
而snr的公式定义如下：
图5 snr定义
单端输出的交流幅值是差分输出的一半，所以如果采用单端结构，那么snr指标会变差，进而影响adc有效位数。 所以，相较于差分输出结构，单端输出结构对于运放输出范围和后级adc输入范围的利用率仅为一半，会带来对于vos以及snr指标的不良影响。客户在采用这种结构时，需要考虑这些不良影响。
隔离运放输出单端转差分输出方案推荐
通过添加后级运放可以在实现差分转单端的同时进行信号调理可以完美适配后级adc的输入要求，解决上述问题。图6所示是示意电路，设计详情可以参考ti的技术文章sbaa229：interfacing a differential-output (isolated) amplifier to a single-ended input adc。
图6 差分转单端外部电路
对于提供内置差分输入adc的mcu，比如c2000系列的tms320f2837x同时提供16bit差分输入的adc通道和12bit单端输入的adc通道，可以为信号处理提供更多自由度。如果想要追求更高的精度，可以免去中间电路，直接将差分运放的输出接到对应的差分输入adc模块，同时获得更好的精度和信噪比。如图7：
图7 amc1311和tms320f283777s电路示意图
本文介绍在应用电机驱动器中，采用隔离运放的系统架构和ti明星产品。涉及了相关电路设计和外部信号调理与mcu的配合。结合后级adc，深入讨论了隔离运放单端结构输出和差分结构输出对整体采样性能的影响，提供了相应的分析和建议。
总结来说，如果采用内置差分输入adc的mcu，比如c2000系列的tms320f2837x，可以免去中间电路，直接将差分运放的输出接到对应的差分输入adc模块，同时获得更好的精度和信噪比；如果采用内置单端输入adc的mcu，添加一颗简单运放比如tlv6001，可以在实现差分转单端的同时进行信号调理可以更加完美地适配后级adc的输入要求。如果想要省去额外调理运放，可以采用一端电阻接地，但需要考虑对于采样准确度和信噪比的不良影响。
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图1 电机驱动器电压电流采样
下图所示，是使用隔离运放来进行相电流采样的常见结构和内部原理图。
图2 相电流采样的常见结构
应用在该系统里的隔离运放ti明星产品如下表：
表1 应用于电机驱动系统的隔离运放明星产品
料号 描述 链接
amc1200 用于并联测量的 4kv 峰值隔离放大器 https://www.ti.com.cn/product/cn/amc1200
amc1300 用于电流检测的 ±250mv 输入、增强型隔离放大器 https://www.ti.com.cn/product/cn/amc1300
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运放的差分输出结构因具有更好的抗干扰性而广泛存在，但是后级mcu的adc一般为单端输入，所以常规做法是在靠近mcu内置adc输入的位置，加上一个单端转差分的运放。那么经常会产生疑问，能不能不额外加这个运放，直接将隔离运放的差分输出的一个脚接地，另一个脚接入mcu的内置adc呢？如果这样做，会带来什么问题呢？
我们以amc1311为例来探讨这个问题。
首先，为了更直观地了解amc1311的输出性能，amc1311的差分输出outp和outn的波形可以通过tina仿真电路得到, ti.com提供pspice模型：https://www.ti.com/product/amc1311#design-development
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outp: 1.44~2.44v, δvpp_p=1v
outn: 0.44~1.44v, δvpp_n=1v
out: 0~2v, δvpp=2v
outp和outn的波形以1.44v呈镜像。
图4 amc1311的pspice仿真输出波形
如果将outn悬空或通过电阻接地（注意，输出脚不可以直接接地，接地电阻建议10kΩ），将outp直接接入后级单端输入adc里。带来的影响：
共模输出电压vcmout误差的影响
从amc1311数据手册得知：vcmout=1.44±50mv。若差分结构输出，outn与outp因为互呈镜像，两者相减得到out，vcmout的50mv的误差可以认为相互抵消，忽略不记。但是单端结构则不然。这个±50mv会带来原始的vos误差。对于单端结构，当输入脚短接，out的值理论上为1.44v，如果不是， 那么需要进一步的校准，校准工作一般在mcu的算法中进行。
对后级adc的snr的影响
snr(signal to noise ratio)是重要的ac指标，影响adc的有效位数enob，理想公式为：
而snr的公式定义如下：
图5 snr定义
单端输出的交流幅值是差分输出的一半，所以如果采用单端结构，那么snr指标会变差，进而影响adc有效位数。 所以，相较于差分输出结构，单端输出结构对于运放输出范围和后级adc输入范围的利用率仅为一半，会带来对于vos以及snr指标的不良影响。客户在采用这种结构时，需要考虑这些不良影响。
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本文介绍在应用电机驱动器中，采用隔离运放的系统架构和ti明星产品。涉及了相关电路设计和外部信号调理与mcu的配合。结合后级adc，深入讨论了隔离运放单端结构输出和差分结构输出对整体采样性能的影响，提供了相应的分析和建议。
总结来说，如果采用内置差分输入adc的mcu，比如c2000系列的tms320f2837x，可以免去中间电路，直接将差分运放的输出接到对应的差分输入adc模块，同时获得更好的精度和信噪比；如果采用内置单端输入adc的mcu，添加一颗简单运放比如tlv6001，可以在实现差分转单端的同时进行信号调理可以更加完美地适配后级adc的输入要求。如果想要省去额外调理运放，可以采用一端电阻接地，但需要考虑对于采样准确度和信噪比的不良影响。
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