帶有輸入串聯(lián)電阻的電流檢測放大器的性能詳解

概述

從功能上來說，電流檢測放大器可看成一個(gè)輸入級(jí)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?qū)材ｋ妷哼h(yuǎn)大于電源電壓的輸入差分信號(hào)進(jìn)行放大。例如，電流檢測放大器的共模電壓可高達(dá)28V (MAX4372和MAX4173)和76V (MAX4080和MAX4081)。

電流檢測放大器的這一特性對(duì)高邊電流檢測應(yīng)用非常有用，在這些應(yīng)用中需要放大高壓線路上檢測電阻兩端的小信號(hào)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(yīng)用中，通常需要在源端對(duì)電流檢測信號(hào)(如檢測電阻兩端的信號(hào))進(jìn)行濾波。該部分電路即可采用差分濾波器(圖1)實(shí)現(xiàn)，以平滑負(fù)載電流“尖峰”并對(duì)電壓進(jìn)行檢測；也可采用共模濾波器(圖2)實(shí)現(xiàn)，以增強(qiáng)ESD性能，并抑制共模電壓峰值和瞬時(shí)過壓。設(shè)計(jì)上述濾波器時(shí)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(dāng)，將會(huì)引入無法預(yù)料的失調(diào)電壓和增益誤差，從而影響電路性能。

圖2. 共模濾波器的電路圖，增強(qiáng)了對(duì)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(nèi)部運(yùn)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(nèi)部電流鏡進(jìn)行轉(zhuǎn)換和放大，從而產(chǎn)生輸出電流IRGD。在MAX4173的內(nèi)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(nèi)電阻，因此，其實(shí)際電阻值通常隨半導(dǎo)體制造工藝的變化最大波動(dòng)可達(dá)±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(chǎn)期間很容易的控制最終增益并對(duì)其進(jìn)行微調(diào)。

圖3. MAX4173的內(nèi)部功能框圖

然而，當(dāng)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(gòu)成差分/共模濾波器(如圖1和圖2所示)時(shí)，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(diào)整好的RG1阻值將會(huì)引入增益誤差。此外，由于RG1絕對(duì)值最大有±30%的波動(dòng)，因此增益誤差可達(dá)±30%，并且不同的器件的增益誤差是不可控的或無法預(yù)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(huì)引入輸入失調(diào)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(yīng)是與RG2串聯(lián)電阻(RSERIES-)的2倍，以消除輸入失調(diào)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(shù)使用恰當(dāng)?shù)妮斎腚娮?，以滿足差分/共模信號(hào)的濾波設(shè)計(jì)。結(jié)論和驗(yàn)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(gòu)成的輸入濾波器將具有最佳性能。

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

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