高端電流檢測(cè):差動(dòng)放大器vs.電流檢測(cè)放大器（二）

　　共模抑制（CMR）：這兩種架構(gòu)之間輸入結(jié)構(gòu)的差異還導(dǎo)致CMR性能的不同。差動(dòng)放大器通常具有精密跟蹤精度高達(dá)0.01%的輸入電阻。在直流電壓時(shí)，這種匹配程度通常確保80 dB CMR。而電流檢測(cè)放大器因其晶體管輸入結(jié)構(gòu)，可以獲得更佳的匹配，因此其CMR不再取決于輸入電阻的匹配，通常可以達(dá)到100 dB以上，除非共模電壓較低。例如， AD8210在輸入共模電壓低于5 V時(shí)，其能提供的CMR值與差動(dòng)放大器一樣，為80 dB。在這個(gè)電壓范圍下，由于其內(nèi)部存在著上拉電路，輸入結(jié)構(gòu)具有電阻性，CMR值與0.01%精密電阻匹配性相關(guān)。在整個(gè)范圍內(nèi)，電流檢測(cè)結(jié)構(gòu)將提供更好的共模抑制。

　　外部輸入濾波影響：如果在高端電流檢測(cè)應(yīng)用中使用外部濾波，架構(gòu)影響非常大。輸入濾波器的目的是平滑輸入噪聲和電流尖峰，結(jié)構(gòu)通常如圖6所示。

　　圖6. 輸入濾波器

　　不管架構(gòu)如何，每種放大器內(nèi)部都有精密調(diào)整的輸入電阻，任何附加的外部串聯(lián)電阻都產(chǎn)生失配，從而帶來(lái)增益誤差和CMR誤差，其計(jì)算公式如下（Rin是指定的放大器輸入電阻）：

　　差動(dòng)放大器的輸入阻抗大于100 KΩ。對(duì)于AD8206，Rin = 200 kΩ，如果使用200Ω濾波器電阻，額外增益誤差將在0.1%以內(nèi)。假設(shè)電阻的公差是1%，這些外部元件帶來(lái)的共模誤差將達(dá)–94 dB，但可以忽略不計(jì)，因?yàn)闀?huì)淹沒在80dB的CMR中。

　　雖然電流檢測(cè)放大器具有高得多的共模輸入阻抗，為了將差分輸入電壓轉(zhuǎn)換為電流，其串行輸入電阻通常低于5 kΩ。對(duì)于AD8210來(lái)說(shuō)，差分輸入阻抗Rin = 3.5 kΩ，需對(duì)上述公式進(jìn)行重新計(jì)算。在這種情況下，濾波電阻帶來(lái)的附加增益誤差可能高達(dá)5.4%！同時(shí)，假設(shè)外部電阻失配的最差情況，CMR能下降到59 dB。對(duì)于最大整體誤差低于2%的器件性能來(lái)說(shuō)，這是非常大的影響。

　　因此，在電流檢測(cè)架構(gòu)中引入輸入濾波器要非常謹(jǐn)慎。當(dāng)內(nèi)置電阻在5 kΩ以下時(shí)，應(yīng)當(dāng)使用阻值低于10 Ω的濾波器電阻，這將確保電流檢測(cè)放大器的原始高精度。如上所示，差動(dòng)放大器可采用的輸入濾波電阻阻值范圍較寬，因?yàn)槠鋬?nèi)部的高阻值輸入電阻網(wǎng)絡(luò)受外部失配的影響較小。

　　輸入過(guò)驅(qū)動(dòng)：在高端電流檢測(cè)應(yīng)用中，設(shè)計(jì)工程師必須認(rèn)真考慮可能使放大器工作在指定范圍以外的潛在事件。在典型應(yīng)用中，雖然流經(jīng)取樣電阻的負(fù)載電流僅數(shù)百毫伏，但放大器的輸入結(jié)構(gòu)不同，在輸入電壓為若干伏特的故障情況下，器件是否還能正常工作？在這種情況下，差動(dòng)放大器架構(gòu)具有更強(qiáng)的魯棒性，一旦系統(tǒng)次序后退，更可能繼續(xù)如期地履行功能。輸入電阻網(wǎng)絡(luò)可以簡(jiǎn)單的將電流流向接地端；在65 V時(shí)，AD8206的輸入端阻抗是200 kΩ，則流向接地端的電流是325 μA。

　　如果使用電流檢測(cè)放大器架構(gòu)，設(shè)計(jì)人員必須考慮這種潛在問(wèn)題。在第一個(gè)例子情況下，當(dāng)輸入電壓大幅擺動(dòng)時(shí)，像AD8210這樣的放大器是無(wú)法正常工作的。這種類型的放大器輸入端通常包含靜電放電（ESD）保護(hù)二極管。利用大于0.7 V的電壓差，可以對(duì)這個(gè)二極管進(jìn)行正向偏壓。這個(gè)二極管的實(shí)際斷點(diǎn)是變化的，但大的差分電壓（如來(lái)自汽車電源）由于過(guò)壓，通常會(huì)給放大器帶來(lái)?yè)p害。

　　負(fù)壓保護(hù)：在許多情況下，必須保護(hù)電流檢測(cè)器免受反向電源電壓的損壞，尤其是在汽車應(yīng)用中。差動(dòng)放大器的電阻橋輸入可能是重要因素。不過(guò)，設(shè)計(jì)工程師必須核對(duì)器件的絕對(duì)額定值，以確保輸入ESD二極管僅在較大負(fù)壓下導(dǎo)通。
不過(guò)，在這種情況下，電流檢測(cè)架構(gòu)并不是最優(yōu)的，因?yàn)檩斎敕糯笃骷捌湎鄳?yīng)的輸入晶體管將直接與大的負(fù)壓相連。因?yàn)檩斎胄盘?hào)不應(yīng)當(dāng)受大的輸入負(fù)直流電壓的影響，因此，電流檢測(cè)放大器的輸入ESD二極管通常設(shè)計(jì)成僅在指定輸入電壓范圍的低端以外導(dǎo)通。

　　除了直流負(fù)壓，這種電流檢測(cè)器還容易受到負(fù)的輸入瞬態(tài)負(fù)流的影響。在PWM系統(tǒng)中這是一種常見情況，其中電流取樣檢測(cè)器隨著內(nèi)部FET開關(guān)導(dǎo)通與關(guān)斷，其輸入共模電壓從地到電源電壓之間擺動(dòng)。同樣，也必須認(rèn)真考慮最大絕對(duì)額定值，這些值主要由放大器輸入ESD二極管決定。和以前一樣，差動(dòng)放大器受到高輸入電阻的保護(hù)，從本質(zhì)上講是阻止負(fù)的瞬態(tài)電流進(jìn)入；因此ESD二極管通常設(shè)計(jì)為能夠鉗位大的負(fù)電壓。但是，當(dāng)采用電流檢測(cè)架構(gòu)時(shí)，在每個(gè)短路瞬間，負(fù)瞬態(tài)電流能啟動(dòng)輸入ESD保護(hù)，而通常的設(shè)計(jì)是：當(dāng)輸入電壓接近放大器輸入共模額定值時(shí)，啟動(dòng)輸入ESD保護(hù)。雖然這種大小的脈沖一般不會(huì)損壞AD8210放大器ESD單元，但這方面的性能因器件不同而異。為了確保不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，在實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng)當(dāng)對(duì)這個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。

　　輸入偏置電流：在電源管理非常重要以及必須考慮少量泄漏的應(yīng)用中，兩種架構(gòu)中的不同輸入結(jié)構(gòu)都要求考慮輸入偏置電流。例如，在電池電流檢測(cè)系統(tǒng)中，兩個(gè)架構(gòu)都可以監(jiān)控高端電流。不過(guò)，當(dāng)系統(tǒng)關(guān)斷且電流檢控器的電源關(guān)斷時(shí)，雖然輸入仍然與電池相連，差動(dòng)放大器（如AD8206）內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)中的固有接地線路將需要偏置電流，以持續(xù)耗盡電池電流。另一方面，由于輸入共模阻抗非常高（AD8210輸入共模阻抗》5 MΩ），采用電流檢測(cè)架構(gòu)的放大器不會(huì)耗盡電池，因?yàn)樵谳斎氲浇拥氐穆窂街袔缀鯖]有電流。

　　結(jié)論

　　在汽車、電信、消費(fèi)電子和工業(yè)應(yīng)用中，高端電流檢測(cè)是一種廣泛的需求?，F(xiàn)在市場(chǎng)上銷售的集成高壓差動(dòng)放大器和電流檢測(cè)放大器都可以實(shí)現(xiàn)這種功能。根據(jù)應(yīng)用中的精度和性能要求，系統(tǒng)工程師需要認(rèn)真考慮哪種類型的電流檢測(cè)器最適合其系統(tǒng)。下表概括出典型考慮因素。

　　兩種類型的電流檢測(cè)器都可以工作，但不同架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)卻取決于截然不同的指標(biāo)折衷。對(duì)于瞬態(tài)電流監(jiān)控，寬帶寬的電流檢測(cè)放大器最適合，但差動(dòng)放大器更適合監(jiān)控平均電流。此外，電流檢測(cè)放大器具有最小的輸入電源關(guān)斷偏置電流泄漏，因此非常適合對(duì)電流消耗敏感的電源管理應(yīng)用。不過(guò)，采用外部濾波器時(shí)，高端電流檢測(cè)放大器的輸入結(jié)構(gòu)可能限制性能并要求仔細(xì)檢查，以確保在惡劣應(yīng)用環(huán)境使用時(shí)不超過(guò)絕對(duì)輸入額定值。