帶有輸入串聯電阻的電流檢測放大器的性能詳解

2021-01-10 電子產品世界

概述

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/226813.htm

從功能上來說，電流檢測放大器可看成一個輸入級浮置的儀表/差分放大器。這就是說，即使僅採用VCC = 3.3V或5V單電源供電，器件仍然能夠對共模電壓遠大於電源電壓的輸入差分信號進行放大。例如，電流檢測放大器的共模電壓可高達28V (MAX4372和MAX4173)和76V (MAX4080和MAX4081)。

電流檢測放大器的這一特性對高邊電流檢測應用非常有用，在這些應用中需要放大高壓線路上檢測電阻兩端的小信號電壓，並將放大的電壓反饋至低壓ADC或低壓模擬控制環路。在這類應用中，通常需要在源端對電流檢測信號(如檢測電阻兩端的信號)進行濾波。該部分電路即可採用差分濾波器(圖1)實現，以平滑負載電流「尖峰」並對電壓進行檢測；也可採用共模濾波器(圖2)實現，以增強ESD性能，並抑制共模電壓峰值和瞬時過壓。設計上述濾波器時必須正確選擇器件參數，以保證電路正常工作。如果元件值選擇不當，將會引入無法預料的失調電壓和增益誤差，從而影響電路性能。

圖1. 差分濾波器的電路圖，可平滑負載電流尖峰

圖2. 共模濾波器的電路圖，增強了對ESD尖峰和共模過壓的抑制能力確定採用何種濾波器

現在就以圖3所示的MAX4173電流檢測放大器為例。該器件的檢測電阻直接與晶片的RS+和RS-端相連。內部運算放大器使得RG1兩端電壓與檢測電阻兩端的差分電壓相等，即ILOAD x RSENSE = VSENSE = IRG1 x RG1。然後，電流(IRG1)可通過內部電流鏡進行轉換和放大，從而產生輸出電流IRGD。在MAX4173的內部電路中RGD = 12k，RG1 = 6k。

因此，VOUT = RGD x IRGD = RGD x 增益 x IRG1 = RGD x 增益 x VSENSE / RG1

由於RGD和RG1是片內電阻，因此，其實際電阻值通常隨半導體製造工藝的變化最大波動可達±30%。由於最終增益精度由RGD與RG1的比值大小決定，因此，可以在生產期間很容易的控制最終增益並對其進行微調。

圖3. MAX4173的內部功能框圖

然而，當檢測電阻的RSENSE+和RSENSE-端，與器件的RS+和RS-引腳之間接入串聯電阻，構成差分/共模濾波器(如圖1和圖2所示)時，等效於器件的RG1和RG2阻值發生了變化。根據上述公式，改變調整好的RG1阻值將會引入增益誤差。此外，由於RG1絕對值最大有±30%的波動，因此增益誤差可達±30%，並且不同的器件的增益誤差是不可控的或無法預測的。因此，控制增益誤差唯一的辦法就是確保輸入串聯電阻RSERIES+要比RG1小。

此外，由於器件輸入偏置電流的存在，電阻RG1和RG2間的不匹配將會引入輸入失調電壓。MAX4173和MAX4372數據資料中給出的偏置電流IRS-是IRS+的2倍，因此，與RG1串聯的電阻(RSERIES+)應是與RG2串聯電阻(RSERIES-)的2倍，以消除輸入失調電壓。以下電流檢測放大器具有同樣的偏置電流特性：MAX4073、MAX4172、MAX4373-5和MAX4376-8。因此，需要採用相同技術使用恰當的輸入電阻，以滿足差分/共模信號的濾波設計。結論和驗證

總之，如果滿足下列條件，則檢測電阻與RS+和RS-引腳之間的串聯電阻所構成的輸入濾波器將具有最佳性能。

相對於RG1，RSENSE+和RS+之間的串聯電阻應保持足夠小。

RSENSE+和RS+之間的串聯電阻應是RSENSE-和RS-之間串聯電阻的2倍。

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