概述
集成檢流放大器經常用來測量電路中的電流，通過放大串聯在電流通路的采樣電阻壓降實現重要的系統(tǒng)功能，例如過流保護、設備監(jiān)測、可編程電流源、線性電源和開關電源、電池充電器和電量檢測等。由于所要求的電流檢測規(guī)格、實施方案與應用本身一樣多樣化，分析電流檢測放大器(CSA)的誤差預算是每次設計的一項基本工作。毋庸置疑，當為一個應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，有助于降低重復設計的風險。
本文討論了電流檢測放大器的誤差源，介紹了一種估計總誤差預算的方法，以及如何使用Maxim設計的計算軟件。軟件采用簡單的網頁圖形用戶界面，計算所選Maxim CSA的總體直流誤差。并通過一個應用案例幫助讀者熟悉計算軟件的基本操作。設計提示和消息標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行簡要分析。
輸入失調電壓
類似于運算放大器，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誤差，因為單電源供電時，CSA輸出電壓不會達到輸出電壓下限(VOL)以下。因此，VOS被更準確地當作輸出電壓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，如圖1所示。
圖1. 輸出電壓與采樣電壓的對應關系確定失調電壓。
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可由下面的公式計算：
(Eq.1)
CSA輸入失調電壓產生的輸出失調誤差如下：
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，大阻值產生較高的采樣電壓，相應減小誤差預算中的失調誤差成份。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失調誤差之間進行平衡。對于精密的電流檢測應用，不會采用大阻值檢流電阻，應選擇高精度CSA。
增益誤差
增益誤差定義為CSA的實際差分增益與理想差分增益的偏差比，理想增益由內部固定增益或外部電阻比設定。增益誤差可由下式確定：
(Eq.3)
實際增益可由圖1獲得：
(Eq.4)
增益誤差測量的是傳遞函數的實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，其傳輸函數保持恒定斜率。相對于失調誤差和增益誤差，如果輸出擺幅在線性區(qū)(該區(qū)域由CSA數據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。數據手冊中的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 = 數據手冊中確定CSA的增益誤差和失調誤差時的共模電壓。
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。數據手冊中的PSRR通常以輸入為參考，其結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 =數據手冊中確定CSA增益誤差和失調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CSA采用的是外部檢流電阻，當計算總誤差時應該考慮檢流電阻的誤差。采用精密電阻可以減小這項誤差。另外，對大電流應用，為了達到較好的測量精度，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，通常采用一個負載電阻將輸出電流轉換成電壓。電流輸出有著明顯優(yōu)勢：多個CSA可復用同一負載電阻;另外，如果把輸出電阻端接到ADC的地，電流輸出架構可以使CSA對地線干擾具有較強的抑制能力。但在計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 =跨導增益。
估算系統(tǒng)誤差
設計者常常傾向于計算最差工作條件下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，它會產生一個過于保守、不準確的估算。最差條件下的計算方法是假設所有單項誤差源是相干的，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是當增加兩個隨機分布(常態(tài)分布或高斯分布)測量時，所得標準方差等同于初始分布標準方差平方和的平方根。對于CSA，每項誤差源不相干，RSS法比最差工作條件分析法更實用。如果確保采用了每項誤差源，RSS分析將可獲得最合理的結果。[!--empirenews.page--]
關于RSS，一個有趣的因素是：即使它會導致總誤差比單項誤差大，但主要誤差項經常會遠遠超出所有其它項。
用RSS法對電壓輸出型CSA的總誤差進行計算，可以得出：
(Eq.11)
用RSS法對電流輸出型CSA的總誤差進行計算，可以得出：
(Eq.12)
這些計算中所有的誤差源必須參考同一節(jié)點，可以是輸入也可以是輸出。這一點非常重要，因為CSA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。
電流檢測誤差計算器
Maxim設計了一個新的計算器，協助設計者估算所選CSA的總誤差。該軟件免費提供，只需用戶輸入幾個使用規(guī)格，即可自動輸入所選CSA數據手冊的相關參數，并輸出利用RSS算法得到的最大誤差。計算器還能提示用戶粗心大意造成的數據輸入錯誤。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。
檢流誤差估算計算器的使用
假設設計一個過流保護電路，要求CSA滿足如下條件：
a.輸入觸發(fā)點 = 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.總誤差預算= < 2%，這意味著CSA增益誤差 < 2%，失調誤差VOS < 1mV，因為每項誤差不能超過總誤差。
第一步.參數搜索
基于上述要求，參數搜索到以下候選器件：MAX9922、MAX9918、MAX9929F、MAX4080、MAX4373、 和MAX4172。
第二步. 檢流誤差計算器輸入
使用檢流誤差計算器，進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，并進入實際參數(圖2)。
圖2. 用戶進入的輸入字段。
第三步.驗證數據手冊規(guī)格
計算器自動填入所選CSA數據手冊，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。這些參數默認為T = 25°C時的數值，如圖3所示MAX9922 CSA。
圖3.計算器從所選CSA數據手冊自動收集相關參數。
按下Calculate按鈕，軟件即可計算出總體誤差。
第四步.數據手冊參數調整
盡管計算器自動導出了數據手冊給出的增益、失調誤差、增益誤差、CMRR和PSRR等數值，也可根據用戶要求靈活設置。必要時，可以用特定數值替代這些值。例如，設計者可能有一個計算規(guī)定，從軟件中移除失調電壓的影響，這種狀況下，一個不太精確的CSA或許也能滿足誤差預算的要求。有些情況下，設計人員或許想采用數據手冊中極限溫度下的參數進行計算。
為了替換自動輸入的數據，使用Enter Overrides欄調整參數。參考MAX9922，按下計算按鈕，跳出如圖4所示錯誤信息。計算器提示用戶降低增益，因為輸出電壓不能夠超出器件的輸出電壓上限。因為MAX9922的增益可調，在相應數據手冊調整欄中減小增益到60V/V。更新增益后，圖5給出了總誤差估算結果。
圖4. 器件某項條件不滿足時，產生的錯誤提示信息。
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，不需要重新輸入參數。每次選定CSA后，點擊Calculate按鈕即可得到相應的誤差計算結果。表1列出了本例中所有備選CSA的誤差計算結果。數據表明，只有MAX9922和MAX9918的總誤差滿足應用要求。
總結
本文介紹了一種檢流誤差計算器，利用快捷、強大的檢流放大器選型工具，可以方便地獲得誤差計算結果。本文討論了了解檢流放大器誤差參數的重要性。這些背景知識和計算器都將協助設計人員選擇合適的CSA。RSS誤差分析法是構建計算器的基礎，可以擴展到多種元件或電路系統(tǒng)級精度的計算。
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