電流測量的基本原理:ADI 精密、可選增益、 全差分漏鬥放大器

電流測量的基本原理：ADI 精密、可選增益、 全差分漏鬥放大器

肖冰 發表於 2019-10-03 09:26:00

電流檢測是電子系統中的一個關鍵功能，但其複雜性往往被低估。本文將討論在負載由較高電壓驅動的應用中，如何使用漏鬥放大器來放大電流測量。

準確的電流測量並不像電壓測量那麼輕鬆，當試圖測量的電流流過與相對較高的電源電壓相連的負載時，這種測量會變得更加困難。電流檢測電阻器也稱為分流電阻器，因測量精度高、溫度係數低、成本相對較低，已經成為測量電流的首選技術。由於這種電阻器的阻抗低，通常必須對其兩端的較低電壓進行升壓。此項任務通常由在低壓側或高壓側配置中連接的電流檢測放大器來完成。

不過，當負載由電壓相對較高的電源驅動時（例如：工業控制應用），檢測電阻器可以大得多，而不會從負載爭奪過多的驅動電壓。與流過低阻抗分流電阻器（數值通常以毫歐姆或微歐姆計）的檢測電流所產生的電壓相比，這些增加的電阻會產生大得多的電流檢測電壓。在從電機控制到功率轉換之類高功率工業應用中，這些檢測電壓通常可以高達幾伏。

這種檢測電壓往往需要進行衰減和電平位移之後，才能應用於通常採用單極 3 V 或 5 V 電源供電的模數轉換器 (ADC)。衰減和電平位移信號調節鏈有時也稱為漏鬥信號鏈，因為檢測到的電壓信號在通過 ADC 的信號調節鏈時會逐漸變窄。降低或收窄這些檢測電壓的傳統方式是使用無源衰減法，但也可以使用差分漏鬥放大器，這種方法在減少元件數量的同時可以提高測量精度。

漏鬥放大器可以執行多達三項信號調節任務：

在模擬前端 (AFE) 信號鏈的末端，將檢測到的電壓衰減到 ADC 可接受的電平。

根據需要執行電平轉換（電平位移），例如在高壓側檢測設計中。

可以具有驅動全差分 ADC 所需的差分輸出。

高壓側與低壓側檢測概覽

如圖 1 所示，最常見的電流監控信號鏈配置包括分流電阻器、AFE、ADC 和系統控制器。運算放大器或專用電流檢測放大器將分流電阻器兩端產生的小差分電壓轉換為 ADC 所需的更大輸出電壓。

圖 1：最簡單的電流測量方法是使用分流電阻器（最左側），該電阻器自身產生的電壓與流經它的電流成正比。檢測放大器對信號進行調節，使其符合 ADC 的輸入要求。（圖片來源：Steve Leibson）

低壓側電流測量將分流電阻器放置在有源負載和接地之間。低壓側電流測量更容易實現，因為分流電阻器兩端的檢測電壓以接地為參考。然而，低壓側的測量配置具有明顯的缺點：分流電阻器位於負載和接地之間，這意味著負載不以接地為參考。此外，無法檢測負載到接地之間的潛通路上的漏電電流。

高壓側電流測量將分流電阻器插在電源和有源負載之間。圖 2 展示了用於進行低壓側和高壓側電流測量的電路。

圖 2：低壓側電流測量電路將電流檢測電阻器放置在有源負載和接地之間，而高壓側測量電路則將電流檢測電阻放置在電源和負載之間。（圖片來源：Steve Leibson）

與低壓側電流測量相比，高壓側電流測量具有兩個關鍵優勢：

通過潛通路可以輕鬆檢測到負載內部對接地產生的短路，因為產生的短路電流將流過分流電阻器，在其兩端形成檢測電壓。

高壓側電流測量不以接地為參考，因此流過系統接地平面的大電流所引起的差分接地電壓不會影響測量。

高壓側電流測量也有一個明顯缺點：檢測電壓疊加在相對較大的共模電壓之上。

無論是低壓側測量還是高壓側測量，在高電壓和大電流下運行的負載所產生的檢測電壓很容易超過輸入電壓額定值，甚至超過用來將檢測電壓轉換為數字值的 ADC 電源軌。這種情況下需要某種衰減。此外，檢測電壓取決於高壓側測量的大電壓偏移量，通常高達數十甚至數百伏。這些情況下需要進行電平轉換，使得檢測電壓處於 ADC 的額定輸入電壓範圍內。

漏鬥放大器內部集成了出廠前已經過微調的高匹配電阻器，可設置精確的電壓增益和偏移。與基於分立式、非匹配電阻器的設計相比，這些內部電阻器具有更好的性能和更高的精度，同時減少了元件數量。最後，這些電流檢測應用中使用的高性能 ADC 可能具有差分輸入，因此某些漏鬥放大器擁有差分輸出功能，可以正確地驅動這些差分 ADC。

介紹兩種漏鬥放大器

Analog Devices 的 LT1997 漏鬥放大器（LT1997-2 和 LT1997-3）以及 AD8475 全差分漏鬥放大器都是配有全集成精密電阻器的實例。所有這三個器件均可用於執行類似的信號調節任務，但各自的功能差別很大。

其中兩款 LT1997 增益可選的漏鬥放大器屬於衰減（漏鬥）差分放大器，可將較大的差分信號轉換為能夠與 ADC 輸入兼容的較低電壓範圍。兩個 LT1997 漏鬥放大器均在一個晶片上集成了一個精密運算放大器和一組高度匹配的內部電阻器。這兩個器件無需額外的外部元件，便可進行精確的電壓衰減和電平位移。圖 3 是一個展示採用 DFN 封裝的 LT1997-2 放大器的元件的內部示意圖，圖 4 是採用 MSOP 封裝的 LT1997-3 放大器的內部示意圖。

圖 3：LT1997-2 放大器包含多個精確匹配的電阻器，這些電阻器可以組合在一起，產生多個高精度的小數增益和衰減。（圖片來源：Analog Devices）

圖 4：LT1997-3 放大器包含多個精確匹配的電阻器，這些電阻器可以組合在一起，產生多個高精度的小數增益和衰減。（圖片來源：Analog Devices）

請注意，儘管這兩個器件的架構非常相似，零件編號也很接近，但電阻值有很大差別。另請注意，MSOP 封裝將連接至 DFN 封裝內 REF 引腳的內部電阻器分割成兩個與引腳 REF1 和 REF2 相連的較大電阻器。

當採用並聯連接時，兩個封裝中的電阻相同，不過，MSOP 封裝的這一功能允許將這兩個電阻器連接到電源軌，從而在內部放大器的正輸入端建立精確的中點電壓基準，且無需額外的元件。LT1997-2 和 LT1997-3 MSOP 封裝中均存在這種分離式電阻器配置。

為了產生各种放大器增益，可以連接 LT1997 的內部輸入電阻器。為了實現漏鬥化任務，可通過連接輸入電阻器，來產生多種用於形成漏鬥放大器的衰減設置。表 1 列出的是使用 LT1997-2 放大器的內部正輸入電阻器可實現的 38 種小數衰減設置，而表 2 列出的是使用 LT1997-3 的內部正輸入電阻器可實現的 30 種設置。

表 1：LT1997-2 放大器的精確匹配型正輸入電阻器可以組合使用，以產生多個精確小數衰減級別。（表格來源：Analog Devices）

表 2：LT1997-3 放大器的精確匹配型正輸入電阻器可以組合使用，以產生多個精確小數衰減級別。（表格來源：Analog Devices）

表 1 和表 2 顯示了只使用 LT1997-2 和 LT1997-3 漏鬥放大器的內置電阻器便可實現的多種精確衰減可能，但這並不是它們的全部功能。此外，還可以使用其他內部電阻器對放大器增益進行編程，然後用衰減乘以增益，得出放大器的輸出。當然，如果內部電阻器所實現的衰減/增益組合都不適合總體設計要求，也可以為電路添加外部精密電阻器。然而，使用外部分立式電阻器缺乏內部電阻器所具有的出廠嚴格匹配優勢。

LT1997-2 和 LT1997-3 漏鬥放大器可在較寬的共模輸入電壓範圍內運行（可以比器件的負電源軌高出 76 V）。通過在分壓器配置中使用器件的內部輸入電阻器，LT1997-3 的模擬 INA 輸入可由高達 ±160 V 的電壓安全驅動，LT1997-2 的 INA 輸入則可由高達 ±255 V 的電壓驅動。

內部電阻器的嚴格匹配可使兩個器件實現極高的共模抑制比。這種能夠適應具有較高共模電壓的信號的極端能力，依託的就是 Analog Devices 稱之為「Over-The-Top」的操作能力。當器件處於 Over-The-Top 模式時，可通過削弱其他規格（包括線性度、輸入偏置電流、輸入失調電流、差分輸入阻抗、噪聲和帶寬）來承受極端共模電壓。此功能看似需要削弱很多參數，但好處是，它能處理對其他運算放大器致命的輸入電壓。

LT1997-2 和 LT1997-3 放大器均具有規格書中列出的全部規格，可在 5 V 單端電源和 ±15 V 電源下運行，此外，這兩種器件也可在 3.3 V - 50 V 的更寬供電電壓範圍內運行。最後需要注意的是，LT1997 放大器具有單端輸出。

全差分漏鬥放大器

Analog Devices 的 AD8475 全差分漏鬥放大器可提供 0.4 或 0.8 的精密衰減能力、共模電平位移以及單端信號到差分信號轉換，並具有輸入過壓保護功能（圖 5）。該器件包含一整套 AFE 構件，包括經過匹配的雷射微調輸入電阻器和一個精密差分放大器。該放大器可用於將工業級信號連接到低電壓、高性能 16 或 18 位單電源 SAR（逐次逼近）ADC 的差分輸入端。AD8475 放大器可使用單電源處理 ±10 V 信號，當在單個 5 V 電源下運行時，還可提供相對輸入電壓高達 ±15 V 的過壓保護。

圖 5：Analog Devices 的 AD8475 全差分漏鬥放大器使用經過匹配的內部雷射微調電阻器，提供 0.8 和 0.4 的引腳可編程增益。（圖片來源：Analog Devices）

AD8475 具有兩個標準增益選項：0.4 和 0.8。使用與目標增益對應的輸入引腳可設置該器件的增益。

AD8475 漏鬥放大器的大電流差分輸出級能夠讓放大器驅動許多 ADC 的開關電容器前端電路，且誤差很小。此外，壓擺增強型 AD8475 的高速輸出使其能夠穩定至 18 位精度，實現快至每秒 4 兆次的採集率，因而可以測量高速電流（進而測量功率）。該放大器的差分輸出可輕鬆驅動 SAR、ΣΔ 和流水線型 ADC 的輸入。

圖 6 顯示的 AD8475 放大器將差分輸入驅動到 Analog Devices 每秒 1 兆次採樣的 18 位、低功耗 AD7982 ADC。

圖 6：AD8575 漏鬥放大器的差分輸出可直接驅動像 Analog Devices AD7982 這樣的 ADC 的差分輸入。（圖片來源：Analog Devices）

該差分輸入 ADC 由單個電源供電。三個正弦波形描述了該電路執行漏鬥放大器可以執行的所有三種信號處理任務的示意圖：衰減、電平位移和差分驅動。請注意，位於圖中間頂部和底部的兩個正弦波的相位差為 180°。這兩個波形展示了 AD8475 放大器的差分驅動能力。

圖中左下方 Analog Devices 的 ADR435 超低噪聲 XFET® 電壓基準為該電路生成了精確的 5 V 基準電壓。

圖 6 中的電路可適應來自電流檢測電阻器的雙極 ±10 V 的交流輸入信號擺動。此電路可對輸入信號進行衰減和電平位移，最終使用以 2.5 V 直流偏移為中心的 4 V 峰峰信號擺幅來驅動 ADC 的輸入，以匹配 AD7982 ADC 的輸入要求。由兩個 10 千歐 (kΩ) 電阻器組成的分壓器（如圖中右下角所示）可為 AD8475 的 VOCM 輸入引腳產生 2.5 V 偏移基準電壓，用於設置該放大器的輸出電壓偏移。設計工程師可利用此功能接入設計中所用 ADC 需要的精確偏移電壓。

總結

許多工業應用都以相對較高的電壓來驅動負載。這種情況下，高壓側電流測量電路的模擬前端必須能夠接受通常大於其供電電壓的輸入信號電壓。而處理這樣的輸入電壓需要進行信號衰減和電平位移。漏鬥放大器專為這類信號調節任務而設計，它集成了經過工廠匹配的精密型雷射微調電阻器。

此外，配有差分輸出功能的漏鬥放大器還可輕鬆驅動高速 ADC，這些 ADC 帶有開關電容器前端電路，具有非常特殊的驅動要求。

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