帶有輸入串聯(lián)電阻的電流檢測放大器的性能

概述

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，即使僅采用VCC = 3.3V或5V單電源供電，器件仍然能夠對共模電壓遠大于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，并將放大的電壓反饋至低壓ADC或低壓模擬控制環(huán)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。該部分電路即可采用差分濾波器(圖1)實現(xiàn)，以平滑負載電流“尖峰”并對電壓進行檢測;也可采用共模濾波器(圖2)實現(xiàn)，以增強ESD性能，并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(shù)，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

確定采用何種濾波器

現(xiàn)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芯片的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。然后，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

由于RGD和RG1是片內電阻，因此，其實際電阻值通常隨半導體制造工藝的變化最大波動可達±30%。由于最終增益精度由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并對其進行微調。

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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(lián)電阻，構成差分/共模濾波器(如圖1和圖2所示)時，等效于器件的RG1和RG2阻值發(fā)生了變化。根據(jù)上述公式，改變調整好的RG1阻值將會引入增益誤差。此外，由于RG1絕對值最大有±30%的波動，因此增益誤差可達±30%，并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(lián)電阻RSERIES+要比RG1小。

此外，由于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(shù)據(jù)資料中給出的偏置電流IRS-是IRS+的2倍，因此，與RG1串聯(lián)的電阻(RSERIES+)應是與RG2串聯(lián)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，需要采用相同技術使用恰當?shù)妮斎腚娮?，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(lián)電阻所構成的輸入濾波器將具有最佳性能。

相對于RG1，RSENSE+和RS+之間的串聯(lián)電阻應保持足夠小。

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

最后，需要注意的是，由于RSERIES+是RSERIES-的2倍，因此共模濾波器電容也應相應調整以滿足所期望的AC和瞬態(tài)性能的要求。

表1給出的實驗測試結果是基于MAX4173T獲得的，并支持上述討論。VOS的最小值和最大值是根據(jù)數(shù)據(jù)資料中的最小和最大偏置電流計算的;而增益誤差的最小值和最大值則是根據(jù)RG1 = 6k ±30%計算的。

表1. MAX4173串聯(lián)電阻的測試結果

同理，MAX4372F的實驗測試結果如表2所示(RG1 = 100k)。

表2. MAX4372串聯(lián)電阻的測試結果

增益誤差的最小值和最大值以及VOS的最小值和最大值的計算公式如下所示。

原增益

= 常數(shù) x RGD / RG1 = 20 (T版MAX4173)

新增益

= 常數(shù) x RGD / RG1new; RG1new = RG1 + RSERIES+

= 原增益 x RG1/RG1new

= 20 x RG1 / (RG1 + RSERIES+)

增益誤差

= (20 - 新增益) / 20%

= RSERIES+ / (RG1 + RSERIES+)

最小增益誤差

= RSERIES+ / (1.3 x RG1 + RSERIES+)

最大增益誤差

= RSERIES+ / (0.7 x RG1 + RSERIES+)

RG1 = 6k (MAX4173)

VOS = IBIAS2 x RG2new - IBIAS1 x RG1new

= IBIAS1 x ((2 x RSERIES-) - RSERIES+); 其中IBIAS2 = 2 x IBIAS1

IBIAS1(最小值) = 0

IBIAS1(最大值) = 50μA (MAX4173)