摘要：本篇應(yīng)用筆記闡述了高邊電流檢測放大器的性能特性。本文論述了在放大器的檢測輸入端如何使用串聯(lián)電阻。該設(shè)計方法特別適用于需要對高壓線路上檢測電阻兩端的小信號電壓進(jìn)行放大，并將放大的電壓反饋至低壓ADC或低壓模擬控制環(huán)路的應(yīng)用。文中給出了MAX4173和MAX4372的測試數(shù)據(jù)。

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?qū)材ｋ妷哼h(yuǎn)大于電源電壓的輸入差分信號進(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，通常需要在源端對電流檢測信號(如檢測電阻兩端的信號)進(jìn)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(fù)載電流“尖峰”并對電壓進(jìn)行檢測；也可采用共模濾波器(圖2)實現(xiàn)，以增強(qiáng)ESD性能，并抑制共模電壓峰值和瞬時過壓。設(shè)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(dāng)，將會引入無法預(yù)料的失調(diào)電壓和增益誤差，從而影響電路性能。


圖1. 差分濾波器的電路圖，可平滑負(fù)載電流尖峰


圖2. 共模濾波器的電路圖，增強(qiáng)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(nèi)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 × RSENSE = VSENSE = IRG1 × 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 × IRGD = RGD × 增益 × IRG1 = RGD × 增益 × VSENSE/RG1

由于RGD和RG1是片內(nèi)電阻，因此，其實際電阻值通常隨半導(dǎo)體制造工藝的變化最大波動可達(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，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(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–MAX4375和MAX4376–MAX4378。因此，需要采用相同技術(shù)使用恰當(dāng)?shù)妮斎腚娮瑁詽M足差分/共模信號的濾波設(shè)計。

結(jié)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(gòu)成的輸入濾波器將具有最佳性能。

1. 相對于RG1，RSENSE+和RS+之間的串聯(lián)電阻應(yīng)保持足夠小。
2. 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。

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(yīng)相應(yīng)調(diào)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(jié)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(jié)果

同理，MAX4372F的實驗測試結(jié)果如表2所示(RG1 = 100k)。

表2. MAX4372串聯(lián)電阻的測試結(jié)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) × RGD/RG1 = 20 (T版MAX4173)

新增益

= 常數(shù) × RGD/RG1new; RG1new = RG1 + RSERIES+
= 原增益 × RG1/RG1new
= 20 × RG1/(RG1 + RSERIES+)

增益誤差

= (20 - 新增益)/20%
= RSERIES+/(RG1 + RSERIES+)

最小增益誤差

= RSERIES+/(1.3 × RG1 + RSERIES+)

最大增益誤差

= RSERIES+/(0.7 × RG1 + RSERIES+)

RG1 = 6k (MAX4173)

VOS = IBIAS2 × RG2new - IBIAS1 × RG1new

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

IBIAS1(最小值) = 0
IBIAS1(最大值) = 50μA (MAX4173)