如何開(kāi)始使用電流檢測(cè)放大器應(yīng)用第三部分

在本系列的前幾期中，我討論了實(shí)現(xiàn)備選方案以及這些決策如何影響設(shè)備參數(shù)以及受設(shè)備參數(shù)影響。在這篇文章中，我將解釋設(shè)備參數(shù)和系統(tǒng)因素如何影響可實(shí)現(xiàn)的精度。

要了解我們可以實(shí)現(xiàn)的測(cè)量精度，我們首先需要了解潛在誤差的來(lái)源。以下是兩種錯(cuò)誤來(lái)源的列表——請(qǐng)注意，這不是一個(gè)詳盡的列表，而是重點(diǎn)介紹了一些主要來(lái)源：

放大器相關(guān)的誤差（噪聲）源：

· 輸入失調(diào)電壓 (V OS )。

· V OS漂移。

· 共模抑制比 (CMRR)。

· 電源抑制比 (PSRR)。

· 增益誤差。

· 增益誤差漂移。

非放大器誤差源：

· 印刷電路板 (PCB) 布局。

· 分流電阻容差和漂移。

· 增益設(shè)置無(wú)源器件容差、匹配和漂移。

最差情況下的精度是所有誤差源 e 的簡(jiǎn)單線(xiàn)性求和，如公式 1 所示：

                      (1)

在統(tǒng)計(jì)上不可能同時(shí)使所有誤差達(dá)到最大值，因此更可能的精度方程將是誤差源的和方根，如方程 2 所示：

  (2)

首先，讓我們考慮外部誤差源。放大器看到的 V SENSE是輸入引腳上的值，這與設(shè)計(jì)人員在電阻上測(cè)量時(shí)可能會(huì)遇到的不同。理想情況下 V SHUNT = V SENSE，但寄生效應(yīng)和跡線(xiàn)蝕刻將導(dǎo)致這不正確。開(kāi)爾文連接將最小化 PCB 寄生誤差的貢獻(xiàn)。

當(dāng)談到分流電阻容差和漂移時(shí)，您愿意支付的成本與應(yīng)用所需的性能之間需要權(quán)衡取舍。分流電阻器溫度漂移是溫度范圍內(nèi)的主要誤差源之一，除非您選擇昂貴的電阻器。目錄分銷(xiāo)網(wǎng)站上的高精度 (0.1%)、低漂移 (50ppm/°C) 電阻器以 1,000 件為單位的價(jià)格在 4.00 美元到 8.00 美元之間。

由于其集成的、匹配的、低漂移增益電阻網(wǎng)絡(luò)，使用電流分流監(jiān)視器可以消除運(yùn)算放大器外部電路的誤差貢獻(xiàn)。這些片上網(wǎng)絡(luò)的影響被考慮到電流檢測(cè)放大器本身的誤差貢獻(xiàn)中。

對(duì)于放大器誤差源，您需要在精度與成本之間做出類(lèi)似的權(quán)衡。查看數(shù)據(jù)表中列出的每個(gè)參數(shù)規(guī)格的工作條件并將其與您的實(shí)際工作條件進(jìn)行比較非常重要。在本次討論中，我將重點(diǎn)關(guān)注兩個(gè)主要誤差因素：輸入失調(diào)電壓和增益誤差。

輸入失調(diào)電壓將是低 V SENSE電平下的主要誤差源。如果簡(jiǎn)化并假設(shè) V SENSE = V SHUNT = I LOAD x R SHUNT（無(wú)寄生誤差貢獻(xiàn)），則 V OS的誤差貢獻(xiàn)可使用公式 3 計(jì)算：

         (3)

讓我們看看兩種不同的電流分流監(jiān)視器INA199和INA210，看看 V OS將如何影響誤差。INA199數(shù)據(jù)表將 V OS(MAX)列為 150μV，而INA210為 35μV。表 1 顯示了使用 1mA 電流值和 1Ω 分流電阻器時(shí)各自的誤差貢獻(xiàn)。

表 1：INA199和INA210分流監(jiān)控器誤差貢獻(xiàn)

如果您正在測(cè)量將導(dǎo)致低 V SENSE值的低電流值，則將 V OS最小化以最小化誤差至關(guān)重要。隨著 V SENSE相對(duì)于 V OS(MAX)增長(zhǎng)，該誤差貢獻(xiàn)被最小化。如果 V SENSE是 V OS值的 1,000 倍，則誤差貢獻(xiàn)為 0.1%。另一方面，當(dāng) V SENSE遠(yuǎn)大于 V O時(shí)。主要的誤差貢獻(xiàn)將是增益誤差。在大多數(shù)數(shù)據(jù)表中，這被指定為一個(gè)固定百分比，并且貢獻(xiàn)是一個(gè)簡(jiǎn)單的百分比加法器。

讓我們看看這兩個(gè)錯(cuò)誤如何導(dǎo)致總錯(cuò)誤，再次假設(shè)它們是僅有的兩個(gè)錯(cuò)誤源。圖 1 顯示了INA199和INA210的線(xiàn)性和以及誤差計(jì)算平方根方法的工作原理。

圖 1：INA210和INA199總誤差

這里，當(dāng) V SENSE較低 時(shí)，失調(diào)電壓是主要誤差源，而當(dāng) V SENSE相對(duì)于 V OS較高時(shí)，增益誤差占主導(dǎo)地位。

我的分析已將誤差計(jì)算簡(jiǎn)化為兩個(gè)主要來(lái)源。然而，電流測(cè)量精度是一個(gè)非常復(fù)雜的主題，其中有許多移動(dòng)部件需要相互權(quán)衡，以在特定操作條件下最大限度地提高性能。進(jìn)行更徹底分析的關(guān)鍵要素之一是溫度。溫度漂移會(huì)影響多種規(guī)格，包括分流電阻值、失調(diào)電壓和增益誤差。使用具有零漂移的分流監(jiān)控器（包括INA210或INA282）將有助于最大限度地減少失調(diào)漂移的影響。