工程師設(shè)計(jì)分析：影響電流檢測(cè)精確度的幾種規(guī)范

在電流檢測(cè)領(lǐng)域，牢固掌握電流檢測(cè)的基礎(chǔ)知識(shí)，了解電流檢測(cè)所使用的一些器件，知道如何計(jì)算某種解決方案的精確度以及印制電路板(PCB)布局和問題檢修的一些指導(dǎo)原則都非常有用。本文將為您詳細(xì)介紹影響某種解決方案精確度的一些規(guī)范，這些規(guī)范包括輸入補(bǔ)償電壓(Vos)、共模抑制比(CMRR)和電源抑制比(PSRR)。

精確度

分流器測(cè)量的系統(tǒng)精確度會(huì)受到許多誤差源的影響，其中一些如表1所示。方程式1表明了極端系統(tǒng)精確度情況。

eq1

其中，Sworst-case(%)為每個(gè)誤差源的誤差貢獻(xiàn)度。但是，一種更為實(shí)際的系統(tǒng)精確度計(jì)算方法是，將無關(guān)聯(lián)誤差寫成一個(gè)和的平方根(RSS)，如方程式2所示。

eq2

表一：系統(tǒng)級(jí)誤差源。

由于表1所列大部分誤差均為輸入?yún)⒖?RTI)，因此我們最好是就輸入方面來對(duì)精確度進(jìn)行討論。參考器件輸入的誤差乘以器件增益，得到其對(duì)輸出的影響程度。

輸入補(bǔ)償電壓

輸入補(bǔ)償電壓一般為影響某種解決方案精確度的最大因素。它的定義是“一個(gè)必須施加于輸入端之間以強(qiáng)制靜態(tài)DC輸出電壓為零或者其他規(guī)定電平的DC電壓”。放大器的理想Vos為0V。但是，工藝差異和器件設(shè)計(jì)限制等原因，會(huì)導(dǎo)致Vos不為零。

所有輸入?yún)⒖颊`差均根據(jù)理想分流器電壓計(jì)算得到。理想分流器電壓應(yīng)為負(fù)載電流和理想電阻器值的乘積。系統(tǒng)中，標(biāo)稱負(fù)載電流為5A，理想關(guān)聯(lián)電阻器值為1mΩ，則器件Vos規(guī)范的誤差貢獻(xiàn)程度計(jì)算方法如方程式3所示。假設(shè)我們決定使用INA170，其最大Vos規(guī)范為1mV。

eq3

要想減小這種誤差，我們有兩種方法：增加Rshunt電阻，或者降低Vos (max)。增加Rshunt 電阻方法是否可行，取決于成本、電路板空間或者功耗情況。另外，我們也可以嘗試找到一種具有更低Vos的替代器件。

最后，需要注意的是，負(fù)載電流與誤差成反比關(guān)系。在我們的例子中，標(biāo)稱負(fù)載電流為5A時(shí)，計(jì)算得20%。如果系統(tǒng)負(fù)載電流減少，則Vos規(guī)范產(chǎn)生的有效誤差增加。因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)在最小負(fù)載電流下計(jì)算極端誤差。

共模抑制比

在介紹CMRR以前，我們需要重新復(fù)習(xí)一下輸入共模電壓知識(shí)。放大器的輸入共模電壓為兩個(gè)輸入端的共用平均電壓。盡管這樣說確實(shí)沒有錯(cuò)，但最好還是將分流器電壓同共模電壓區(qū)分開來。通過定義Vid（差動(dòng)輸入電壓），可以達(dá)到這個(gè)目標(biāo)。在電流檢測(cè)應(yīng)用中，它還可以被看作是分流器電壓。圖1顯示了輸入共模電壓的另一種定義，其使用了差動(dòng)輸入電壓。圖1還再次提出了差模增益(Adm)的概念。差動(dòng)放大器的理想輸出為差動(dòng)輸入電壓和差模增益的乘積。

圖1：共模電壓另一種定義。(差模增益, 差動(dòng)放大器,)

CMRR可影響電流檢測(cè)解決方案的精確度。它是器件共模信號(hào)抑制能力的度量標(biāo)準(zhǔn)。這很重要，因?yàn)楣材Ｐ盘?hào)會(huì)以差動(dòng)信號(hào)的形式出現(xiàn)在器件中，從而降低解決方案的精確度。

CMRR通常在產(chǎn)品說明書中以線性刻度(μV/V)或者對(duì)數(shù)刻度(dB)單位表明。如果單位是dB，則極端值為最小值。如果單位為μV/V，則極端值為最大值。

要想計(jì)算器件CMRR規(guī)范產(chǎn)生的誤差，我們需要：產(chǎn)品說明書列出的極端CMRR規(guī)范、產(chǎn)品說明書規(guī)范表的共模電壓測(cè)試條件（Vcm-pds）以及系統(tǒng)的共模電壓（Vcm-sys）。

例如，假設(shè)系統(tǒng)共模電壓為50V (Vcm-sys)，并且分流器電壓標(biāo)稱為 5mV。我們使用INA170計(jì)算誤差，其極端CMRR規(guī)范為100dB (min)，Vcm-pds=12V。

由于規(guī)范單位為dB，我們需要將其轉(zhuǎn)換為線性刻度，如方程式4所示。

eq4

現(xiàn)在，我們來計(jì)算誤差，如方程式5所示。

eq5

想要降低CMRR帶來的誤差貢獻(xiàn)值，我們有兩種方法：增加分流器電壓，或者選擇一個(gè)擁有更好CMRR性能的器件。改變Vcm-sys通常并非為一種可行的方法，因?yàn)榫唧w應(yīng)用決定了它的大小。

這樣處理CMRR的目的是，讓讀者能夠迅速和有效地理解其如何影響測(cè)量的精確度[1, 3, 4]。

電源抑制比

PSRR是電源電壓變化引起Vos變化程度的一種測(cè)量方法。PSRR所產(chǎn)生誤差的計(jì)算方法與CMRR類似。

要想計(jì)算器件PSRR規(guī)范所產(chǎn)生的誤差，我們需要：產(chǎn)品說明書的極端PSRR規(guī)范、產(chǎn)品說明書規(guī)范表的電源電壓測(cè)試條件(Vs-pds)以及在系統(tǒng)中為器件供電的電源電壓(Vs-sys)。

例如，INA170的極端PSRR規(guī)范為10μV/V（最大），且Vs-pds=5V。如果器件實(shí)際電源電壓為30V (Vs-sys)，則PSRR所產(chǎn)生的誤差可以利用方程式6計(jì)算得到。就前面的幾個(gè)例子而言，我們假設(shè)分流器電壓為5mV。

eq6

要想降低PSRR帶來的誤差貢獻(xiàn)值，我們有兩種方法可以使用：增加分流器電壓，或者選擇一個(gè)PSRR性能更高的器件。改變Vcm-sys通常并非為一種可行的方法，因?yàn)榫唧w應(yīng)用決定了它的大小。

本例中，PSRR單位已經(jīng)指定為μV/V。如果該值單位指定為dB，則在使用方程式6以前必須將其轉(zhuǎn)換為線性刻度。

其他誤差

一些規(guī)范，例如：增益誤差和分流電阻器容差等，通常會(huì)以百分比的形式出現(xiàn)。這使得精確度計(jì)算更加簡(jiǎn)單。

表1還列出了Vos漂移和變化。輸入補(bǔ)償電壓漂移可測(cè)量溫度變化帶來的Vos變化。這種規(guī)范一般為：

但是，輸入補(bǔ)償電壓變化則并不那么簡(jiǎn)單。輸入補(bǔ)償電壓變化測(cè)量的是時(shí)間變化帶來的Vos 變化情況。我們通?？梢栽诋a(chǎn)品說明書中看到這種規(guī)范，并且其僅為估計(jì)值。準(zhǔn)確估計(jì)這種變化的一種方法是，知道10年內(nèi)器件Vos的變化，不會(huì)大于器件的最大Vos規(guī)范。這種變化是器件初始Vos規(guī)范之外的變化。

綜合計(jì)算

如前所述，綜合誤差的各個(gè)方面，便可知道系統(tǒng)的總體精度。只需將每一項(xiàng)相加，便得到極端誤差，而以RSS方式將它們結(jié)合起來就得到一個(gè)更加準(zhǔn)確的結(jié)果。

就本文所列舉的Vos、CMRR和PSRR例子而言，極端精確度為67.4%，如方程式7所示。

eq7

使用RSS方式綜合各個(gè)誤差，得到更準(zhǔn)確的精確度為78.03%，如方程式8所示。

eq8

總結(jié)

本文介紹了電流檢測(cè)精確度概念，它與Vos、CMRR和PSRR等規(guī)范有關(guān)。文中所舉例子，說明了在某個(gè)具體應(yīng)用中如何計(jì)算這些規(guī)范所產(chǎn)生的誤差。另外，我們還簡(jiǎn)單介紹了如增益誤差、分流器容差和Vos漂移與變化等其他誤差。