利用直流誤差計(jì)算器簡化檢流放大器的優(yōu)化

概述

集成檢流放大器經(jīng)常用來測量電路中的電流，通過放大串聯(lián)在電流通路的采樣電阻壓降實(shí)現(xiàn)重要的系統(tǒng)功能，例如過流保護(hù)、設(shè)備監(jiān)測、可編程電流源、線性電源和開關(guān)電源、電池充電器和電量檢測等。由于所要求的電流檢測規(guī)格、實(shí)施方案與應(yīng)用本身一樣多樣化，分析電流檢測放大器(CSA)的誤差預(yù)算是每次設(shè)計(jì)的一項(xiàng)基本工作。毋庸置疑，當(dāng)為一個應(yīng)用選擇合適的器件時，對電流檢測放大器的誤差規(guī)格和它們間的相互影響的透徹理解非常重要，有助于降低重復(fù)設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)。

本文討論了電流檢測放大器的誤差源，介紹了一種估計(jì)總誤差預(yù)算的方法，以及如何使用Maxim設(shè)計(jì)的計(jì)算軟件。軟件采用簡單的網(wǎng)頁圖形用戶界面，計(jì)算所選Maxim CSA的總體直流誤差。并通過一個應(yīng)用案例幫助讀者熟悉計(jì)算軟件的基本操作。設(shè)計(jì)提示和消息標(biāo)志也會提醒您操作過程中不符合檢流規(guī)格的任何狀況。

檢流放大器的誤差源

電流檢測放大器中有幾種普遍存在的直流誤差源，下面對每種誤差源進(jìn)行簡要分析。

輸入失調(diào)電壓

類似于運(yùn)算放大器，電流檢測放大器的輸入偏置電壓(VOS)定義為將輸出電壓驅(qū)動到零時，作用在檢流放大器兩個輸入端的電壓。

通常不直接測量失調(diào)誤差，因?yàn)閱坞娫垂╇姇r，CSA輸出電壓不會達(dá)到輸出電壓下限(VOL)以下。因此，VOS被更準(zhǔn)確地當(dāng)作輸出電壓VOUT與采樣電壓VSENSE間傳輸特性曲線的線性部分反向延長線與VSENSE軸的交點(diǎn)，如圖1所示。

圖1. 輸出電壓與采樣電壓的對應(yīng)關(guān)系確定失調(diào)電壓。

如果VOUT1是VSENSE = VSENSE1時測得的輸出電壓，VOUT2是VSENSE = VSENSE2時測得的輸出電壓，那么VOS可由下面的公式計(jì)算：

(Eq.1)

CSA輸入失調(diào)電壓產(chǎn)生的輸出失調(diào)誤差如下：

ERRORVOS = G × VOS (Eq.2)

這里G為所要求的放大器增益。

減小失調(diào)電壓誤差的方法是選擇一個阻值較大的檢流電阻，大阻值產(chǎn)生較高的采樣電壓，相應(yīng)減小誤差預(yù)算中的失調(diào)誤差成份。需要注意的是，選擇外部RSENSE時需要在可接受的壓降、電阻功耗和CSA失調(diào)誤差之間進(jìn)行平衡。對于精密的電流檢測應(yīng)用，不會采用大阻值檢流電阻，應(yīng)選擇高精度CSA。

增益誤差

增益誤差定義為CSA的實(shí)際差分增益與理想差分增益的偏差比，理想增益由內(nèi)部固定增益或外部電阻比設(shè)定。增益誤差可由下式確定：

(Eq.3)

實(shí)際增益可由圖1獲得：

(Eq.4)

增益誤差測量的是傳遞函數(shù)的實(shí)際斜率與理想斜率間的誤差百分比。

增益誤差引起的輸出誤差由下式確定：

增益非線性

一個具有理想線性特性的CSA，其傳輸函數(shù)保持恒定斜率。相對于失調(diào)誤差和增益誤差，如果輸出擺幅在線性區(qū)(該區(qū)域由CSA數(shù)據(jù)手冊的輸出電壓上限、下限范圍指定)，可以忽略增益的非線性。由此，可以在總體誤差中忽略增益非線性引起的誤差。

共模抑制比

共模抑制比(CMRR)測量CSA對作用在兩個輸入端的同等變化信號的抑制能力。數(shù)據(jù)手冊中的CMRR通常以輸入為參考，CMRR由下式定義：

(Eq.6)

共模輸入電壓變化引起的最大輸出誤差可由下式得出：

ERRORCMRR = G × Maximum [Abs Value (Min VCM - Data Sheet VCM), Abs Value (Max VCM - Data Sheet VCM)] × 10-CMRR/20 (Eq.7)

其中：

Data sheet VCM = 數(shù)據(jù)手冊中確定CSA的增益誤差和失調(diào)誤差時的共模電壓。

Min VCM = 施加在用戶電路中的最小共模電壓

Max VCM = 施加在用戶電路中的最大共模電壓

電源抑制比

電源電壓抑制比(PSRR)用于衡量CSA抑制電源(VCC)各種變化的能力。數(shù)據(jù)手冊中的PSRR通常以輸入為參考，其結(jié)果與所施加的差分信號相比較。由電源電壓變化引起的最大輸出誤差由下式確定：

ERRORPSRR = G × Maximum [Abs Value (Min VDD - Data Sheet VDD), Abs Value (Max VDD - Data Sheet VDD)] × 10-PSRR/20 (Eq.8)

其中：

Data sheet VDD =數(shù)據(jù)手冊中確定CSA增益誤差和失調(diào)誤差特性時的電源電壓。

Min VDD = 作用在用戶電路中的最小電源電壓

Max VDD =作用在用戶電路中的最大電源電壓

檢流電阻誤差

由于大多數(shù)CSA采用的是外部檢流電阻，當(dāng)計(jì)算總誤差時應(yīng)該考慮檢流電阻的誤差。采用精密電阻可以減小這項(xiàng)誤差。另外，對大電流應(yīng)用，為了達(dá)到較好的測量精度，建議采用4線開爾文連接電阻。

檢流電阻誤差引起的輸出誤差：

(Eq.9)

輸出電阻誤差

電流輸出型CSA，如MAX9934，通常采用一個負(fù)載電阻將輸出電流轉(zhuǎn)換成電壓。電流輸出有著明顯優(yōu)勢：多個CSA可復(fù)用同一負(fù)載電阻;另外，如果把輸出電阻端接到ADC的地，電流輸出架構(gòu)可以使CSA對地線干擾具有較強(qiáng)的抑制能力。但在計(jì)算整體誤差時必需考慮輸出電阻誤差，輸出電阻引入的誤差如下：

(Eq.10)

這里GM =跨導(dǎo)增益。

估算系統(tǒng)誤差

設(shè)計(jì)者常常傾向于計(jì)算最差工作條件下CSA的總誤差，這種情況下，總誤差由所有單項(xiàng)誤差疊加得到。盡管這種方法確保誤差在任何條件下不會超過限制，但更多情況下，它會產(chǎn)生一個過于保守、不準(zhǔn)確的估算。最差條件下的計(jì)算方法是假設(shè)所有單項(xiàng)誤差源是相干的，且具有相同極性。

另一種方法是平方根和(RSS)分析，其中總誤差是單個誤差平方和的平方根。RSS是當(dāng)增加兩個隨機(jī)分布(常態(tài)分布或高斯分布)測量時，所得標(biāo)準(zhǔn)方差等同于初始分布標(biāo)準(zhǔn)方差平方和的平方根。對于CSA，每項(xiàng)誤差源不相干，RSS法比最差工作條件分析法更實(shí)用。如果確保采用了每項(xiàng)誤差源，RSS分析將可獲得最合理的結(jié)果。[!--empirenews.page--]

關(guān)于RSS，一個有趣的因素是：即使它會導(dǎo)致總誤差比單項(xiàng)誤差大，但主要誤差項(xiàng)經(jīng)常會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出所有其它項(xiàng)。

用RSS法對電壓輸出型CSA的總誤差進(jìn)行計(jì)算，可以得出：

(Eq.11)

用RSS法對電流輸出型CSA的總誤差進(jìn)行計(jì)算，可以得出：

(Eq.12)

這些計(jì)算中所有的誤差源必須參考同一節(jié)點(diǎn)，可以是輸入也可以是輸出。這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)镃SA的增益通常大于單位增益，而輸出誤差的絕對值大于輸入誤差。

電流檢測誤差計(jì)算器

Maxim設(shè)計(jì)了一個新的計(jì)算器，協(xié)助設(shè)計(jì)者估算所選CSA的總誤差。該軟件免費(fèi)提供，只需用戶輸入幾個使用規(guī)格，即可自動輸入所選CSA數(shù)據(jù)手冊的相關(guān)參數(shù)，并輸出利用RSS算法得到的最大誤差。計(jì)算器還能提示用戶粗心大意造成的數(shù)據(jù)輸入錯誤。例如，輸入采樣電壓是否超過所推薦的滿量程采樣電壓?電源電壓是否超出范圍?輸出擺幅限制是否滿足要求等等，均會給出用戶提示。

檢流誤差估算計(jì)算器的使用

假設(shè)設(shè)計(jì)一個過流保護(hù)電路，要求CSA滿足如下條件：

a.輸入觸發(fā)點(diǎn) = 50A(單向)

b.檢流電阻誤差 = 0.5%

c.電源電壓范圍 = 4.5V - 5.5V

d.輸入共模電壓范圍 =12V - 18V

e.總誤差預(yù)算= < 2%，這意味著CSA增益誤差 < 2%，失調(diào)誤差VOS < 1mV，因?yàn)槊宽?xiàng)誤差不能超過總誤差。

第一步.參數(shù)搜索

基于上述要求，參數(shù)搜索到以下候選器件：MAX9922、MAX9918、MAX9929F、MAX4080、MAX4373、 和MAX4172。

第二步. 檢流誤差計(jì)算器輸入

使用檢流誤差計(jì)算器，進(jìn)一步縮小上述總誤差估算列表的范圍。從Maxim器件型號下拉框(Maxim CSA Device Number)中選一個CSA，并進(jìn)入實(shí)際參數(shù)(圖2)。

圖2. 用戶進(jìn)入的輸入字段。

第三步.驗(yàn)證數(shù)據(jù)手冊規(guī)格

計(jì)算器自動填入所選CSA數(shù)據(jù)手冊，給出最大偏置誤差、最大增益誤差、共模抑制和電源抑制比參數(shù)。這些參數(shù)默認(rèn)為T = 25°C時的數(shù)值，如圖3所示MAX9922 CSA。

圖3.計(jì)算器從所選CSA數(shù)據(jù)手冊自動收集相關(guān)參數(shù)。

按下Calculate按鈕，軟件即可計(jì)算出總體誤差。

第四步.數(shù)據(jù)手冊參數(shù)調(diào)整

盡管計(jì)算器自動導(dǎo)出了數(shù)據(jù)手冊給出的增益、失調(diào)誤差、增益誤差、CMRR和PSRR等數(shù)值，也可根據(jù)用戶要求靈活設(shè)置。必要時，可以用特定數(shù)值替代這些值。例如，設(shè)計(jì)者可能有一個計(jì)算規(guī)定，從軟件中移除失調(diào)電壓的影響，這種狀況下，一個不太精確的CSA或許也能滿足誤差預(yù)算的要求。有些情況下，設(shè)計(jì)人員或許想采用數(shù)據(jù)手冊中極限溫度下的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

為了替換自動輸入的數(shù)據(jù)，使用Enter Overrides欄調(diào)整參數(shù)。參考MAX9922，按下計(jì)算按鈕，跳出如圖4所示錯誤信息。計(jì)算器提示用戶降低增益，因?yàn)檩敵鲭妷翰荒軌虺銎骷妮敵鲭妷荷舷蕖Ｒ驗(yàn)镸AX9922的增益可調(diào)，在相應(yīng)數(shù)據(jù)手冊調(diào)整欄中減小增益到60V/V。更新增益后，圖5給出了總誤差估算結(jié)果。

圖4. 器件某項(xiàng)條件不滿足時，產(chǎn)生的錯誤提示信息。

圖5. 所選CSA的誤差估算。

第五步.選擇不同的CSA

在Maxim CSA Device Number下拉菜單中改變選擇，即可評估其它CSA的誤差，例如MAX9918，不需要重新輸入?yún)?shù)。每次選定CSA后，點(diǎn)擊Calculate按鈕即可得到相應(yīng)的誤差計(jì)算結(jié)果。表1列出了本例中所有備選CSA的誤差計(jì)算結(jié)果。數(shù)據(jù)表明，只有MAX9922和MAX9918的總誤差滿足應(yīng)用要求。

總結(jié)

本文介紹了一種檢流誤差計(jì)算器，利用快捷、強(qiáng)大的檢流放大器選型工具，可以方便地獲得誤差計(jì)算結(jié)果。本文討論了了解檢流放大器誤差參數(shù)的重要性。這些背景知識和計(jì)算器都將協(xié)助設(shè)計(jì)人員選擇合適的CSA。RSS誤差分析法是構(gòu)建計(jì)算器的基礎(chǔ)，可以擴(kuò)展到多種元件或電路系統(tǒng)級精度的計(jì)算。