電流檢測(cè)是電子系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵功能，但其復(fù)雜性往往被低估。本文將討論在負(fù)載由較高電壓驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用中，如何使用漏斗放大器來放大電流測(cè)量。

準(zhǔn)確的電流測(cè)量并不像電壓測(cè)量那么輕松，當(dāng)試圖測(cè)量的電流流過與相對(duì)較高的電源電壓相連的負(fù)載時(shí)，這種測(cè)量會(huì)變得更加困難。電流檢測(cè)電阻器也稱為分流電阻器，因測(cè)量精度高、溫度系數(shù)低、成本相對(duì)較低，已經(jīng)成為測(cè)量電流的首選技術(shù)。由于這種電阻器的阻抗低，通常必須對(duì)其兩端的較低電壓進(jìn)行升壓。此項(xiàng)任務(wù)通常由在低壓側(cè)或高壓側(cè)配置中連接的電流檢測(cè)放大器來完成。

不過，當(dāng)負(fù)載由電壓相對(duì)較高的電源驅(qū)動(dòng)時(shí)（例如：工業(yè)控制應(yīng)用），檢測(cè)電阻器可以大得多，而不會(huì)從負(fù)載爭(zhēng)奪過多的驅(qū)動(dòng)電壓。與流過低阻抗分流電阻器（數(shù)值通常以毫歐姆或微歐姆計(jì)）的檢測(cè)電流所產(chǎn)生的電壓相比，這些增加的電阻會(huì)產(chǎn)生大得多的電流檢測(cè)電壓。在從電機(jī)控制到功率轉(zhuǎn)換之類高功率工業(yè)應(yīng)用中，這些檢測(cè)電壓通常可以高達(dá)幾伏。

這種檢測(cè)電壓往往需要進(jìn)行衰減和電平位移之后，才能應(yīng)用于通常采用單極 3 V 或 5 V 電源供電的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。衰減和電平位移信號(hào)調(diào)節(jié)鏈有時(shí)也稱為漏斗信號(hào)鏈，因?yàn)闄z測(cè)到的電壓信號(hào)在通過 ADC 的信號(hào)調(diào)節(jié)鏈時(shí)會(huì)逐漸變窄。降低或收窄這些檢測(cè)電壓的傳統(tǒng)方式是使用無源衰減法，但也可以使用差分漏斗放大器，這種方法在減少元件數(shù)量的同時(shí)可以提高測(cè)量精度。

漏斗放大器可以執(zhí)行多達(dá)三項(xiàng)信號(hào)調(diào)節(jié)任務(wù)：

在模擬前端 (AFE) 信號(hào)鏈的末端，將檢測(cè)到的電壓衰減到 ADC 可接受的電平。

根據(jù)需要執(zhí)行電平轉(zhuǎn)換（電平位移），例如在高壓側(cè)檢測(cè)設(shè)計(jì)中。

可以具有驅(qū)動(dòng)全差分 ADC 所需的差分輸出。

高壓側(cè)與低壓側(cè)檢測(cè)概覽

如圖 1 所示，最常見的電流監(jiān)控信號(hào)鏈配置包括分流電阻器、AFE、ADC 和系統(tǒng)控制器。運(yùn)算放大器或?qū)Ｓ秒娏鳈z測(cè)放大器將分流電阻器兩端產(chǎn)生的小差分電壓轉(zhuǎn)換為 ADC 所需的更大輸出電壓。

圖 1：最簡(jiǎn)單的電流測(cè)量方法是使用分流電阻器（最左側(cè)），該電阻器自身產(chǎn)生的電壓與流經(jīng)它的電流成正比。檢測(cè)放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其符合 ADC 的輸入要求。（圖片來源：Steve Leibson）

低壓側(cè)電流測(cè)量將分流電阻器放置在有源負(fù)載和接地之間。低壓側(cè)電流測(cè)量更容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榉至麟娮杵鲀啥说臋z測(cè)電壓以接地為參考。然而，低壓側(cè)的測(cè)量配置具有明顯的缺點(diǎn)：分流電阻器位于負(fù)載和接地之間，這意味著負(fù)載不以接地為參考。此外，無法檢測(cè)負(fù)載到接地之間的潛通路上的漏電電流。

高壓側(cè)電流測(cè)量將分流電阻器插在電源和有源負(fù)載之間。圖 2 展示了用于進(jìn)行低壓側(cè)和高壓側(cè)電流測(cè)量的電路。

圖 2：低壓側(cè)電流測(cè)量電路將電流檢測(cè)電阻器放置在有源負(fù)載和接地之間，而高壓側(cè)測(cè)量電路則將電流檢測(cè)電阻放置在電源和負(fù)載之間。（圖片來源：Steve Leibson）

與低壓側(cè)電流測(cè)量相比，高壓側(cè)電流測(cè)量具有兩個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)：

通過潛通路可以輕松檢測(cè)到負(fù)載內(nèi)部對(duì)接地產(chǎn)生的短路，因?yàn)楫a(chǎn)生的短路電流將流過分流電阻器，在其兩端形成檢測(cè)電壓。

高壓側(cè)電流測(cè)量不以接地為參考，因此流過系統(tǒng)接地平面的大電流所引起的差分接地電壓不會(huì)影響測(cè)量。

高壓側(cè)電流測(cè)量也有一個(gè)明顯缺點(diǎn)：檢測(cè)電壓疊加在相對(duì)較大的共模電壓之上。

無論是低壓側(cè)測(cè)量還是高壓側(cè)測(cè)量，在高電壓和大電流下運(yùn)行的負(fù)載所產(chǎn)生的檢測(cè)電壓很容易超過輸入電壓額定值，甚至超過用來將檢測(cè)電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字值的 ADC 電源軌。這種情況下需要某種衰減。此外，檢測(cè)電壓取決于高壓側(cè)測(cè)量的大電壓偏移量，通常高達(dá)數(shù)十甚至數(shù)百伏。這些情況下需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，使得檢測(cè)電壓處于 ADC 的額定輸入電壓范圍內(nèi)。

漏斗放大器內(nèi)部集成了出廠前已經(jīng)過微調(diào)的高匹配電阻器，可設(shè)置精確的電壓增益和偏移。與基于分立式、非匹配電阻器的設(shè)計(jì)相比，這些內(nèi)部電阻器具有更好的性能和更高的精度，同時(shí)減少了元件數(shù)量。最后，這些電流檢測(cè)應(yīng)用中使用的高性能 ADC 可能具有差分輸入，因此某些漏斗放大器擁有差分輸出功能，可以正確地驅(qū)動(dòng)這些差分 ADC。

介紹兩種漏斗放大器

Analog Devices的LT1997漏斗放大器（LT1997-2和LT1997-3）以及AD8475全差分漏斗放大器都是配有全集成精密電阻器的實(shí)例。所有這三個(gè)器件均可用于執(zhí)行類似的信號(hào)調(diào)節(jié)任務(wù)，但各自的功能差別很大。

其中兩款 LT1997 增益可選的漏斗放大器屬于衰減（漏斗）差分放大器，可將較大的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為能夠與 ADC 輸入兼容的較低電壓范圍。兩個(gè) LT1997 漏斗放大器均在一個(gè)芯片上集成了一個(gè)精密運(yùn)算放大器和一組高度匹配的內(nèi)部電阻器。這兩個(gè)器件無需額外的外部元件，便可進(jìn)行精確的電壓衰減和電平位移。圖 3 是一個(gè)展示采用 DFN 封裝的 LT1997-2 放大器的元件的內(nèi)部示意圖，圖 4 是采用 MSOP 封裝的 LT1997-3 放大器的內(nèi)部示意圖。

圖 3：LT1997-2 放大器包含多個(gè)精確匹配的電阻器，這些電阻器可以組合在一起，產(chǎn)生多個(gè)高精度的小數(shù)增益和衰減。（圖片來源：Analog Devices）

圖 4：LT1997-3 放大器包含多個(gè)精確匹配的電阻器，這些電阻器可以組合在一起，產(chǎn)生多個(gè)高精度的小數(shù)增益和衰減。（圖片來源：Analog Devices）

請(qǐng)注意，盡管這兩個(gè)器件的架構(gòu)非常相似，零件編號(hào)也很接近，但電阻值有很大差別。另請(qǐng)注意，MSOP 封裝將連接至 DFN 封裝內(nèi) REF 引腳的內(nèi)部電阻器分割成兩個(gè)與引腳 REF1 和 REF2 相連的較大電阻器。

當(dāng)采用并聯(lián)連接時(shí)，兩個(gè)封裝中的電阻相同，不過，MSOP 封裝的這一功能允許將這兩個(gè)電阻器連接到電源軌，從而在內(nèi)部放大器的正輸入端建立精確的中點(diǎn)電壓基準(zhǔn)，且無需額外的元件。LT1997-2 和 LT1997-3 MSOP 封裝中均存在這種分離式電阻器配置。

為了產(chǎn)生各種放大器增益，可以連接 LT1997 的內(nèi)部輸入電阻器。為了實(shí)現(xiàn)漏斗化任務(wù)，可通過連接輸入電阻器，來產(chǎn)生多種用于形成漏斗放大器的衰減設(shè)置。表 1 列出的是使用 LT1997-2 放大器的內(nèi)部正輸入電阻器可實(shí)現(xiàn)的 38 種小數(shù)衰減設(shè)置，而表 2 列出的是使用 LT1997-3 的內(nèi)部正輸入電阻器可實(shí)現(xiàn)的 30 種設(shè)置。

表 1：LT1997-2 放大器的精確匹配型正輸入電阻器可以組合使用，以產(chǎn)生多個(gè)精確小數(shù)衰減級(jí)別。（表格來源：Analog Devices）

表 2：LT1997-3 放大器的精確匹配型正輸入電阻器可以組合使用，以產(chǎn)生多個(gè)精確小數(shù)衰減級(jí)別。（表格來源：Analog Devices）

表 1 和表 2 顯示了只使用 LT1997-2 和 LT1997-3 漏斗放大器的內(nèi)置電阻器便可實(shí)現(xiàn)的多種精確衰減可能，但這并不是它們的全部功能。此外，還可以使用其他內(nèi)部電阻器對(duì)放大器增益進(jìn)行編程，然后用衰減乘以增益，得出放大器的輸出。當(dāng)然，如果內(nèi)部電阻器所實(shí)現(xiàn)的衰減/增益組合都不適合總體設(shè)計(jì)要求，也可以為電路添加外部精密電阻器。然而，使用外部分立式電阻器缺乏內(nèi)部電阻器所具有的出廠嚴(yán)格匹配優(yōu)勢(shì)。

LT1997-2 和 LT1997-3 漏斗放大器可在較寬的共模輸入電壓范圍內(nèi)運(yùn)行（可以比器件的負(fù)電源軌高出 76 V）。通過在分壓器配置中使用器件的內(nèi)部輸入電阻器，LT1997-3 的模擬 INA 輸入可由高達(dá) ±160 V 的電壓安全驅(qū)動(dòng)，LT1997-2 的 INA 輸入則可由高達(dá) ±255 V 的電壓驅(qū)動(dòng)。

內(nèi)部電阻器的嚴(yán)格匹配可使兩個(gè)器件實(shí)現(xiàn)極高的共模抑制比。這種能夠適應(yīng)具有較高共模電壓的信號(hào)的極端能力，依托的就是 Analog Devices 稱之為“Over-The-Top”的操作能力。當(dāng)器件處于 Over-The-Top 模式時(shí)，可通過削弱其他規(guī)格（包括線性度、輸入偏置電流、輸入失調(diào)電流、差分輸入阻抗、噪聲和帶寬）來承受極端共模電壓。此功能看似需要削弱很多參數(shù)，但好處是，它能處理對(duì)其他運(yùn)算放大器致命的輸入電壓。

LT1997-2 和 LT1997-3 放大器均具有規(guī)格書中列出的全部規(guī)格，可在 5 V 單端電源和 ±15 V 電源下運(yùn)行，此外，這兩種器件也可在 3.3 V - 50 V 的更寬供電電壓范圍內(nèi)運(yùn)行。最后需要注意的是，LT1997 放大器具有單端輸出。

全差分漏斗放大器

Analog Devices 的 AD8475 全差分漏斗放大器可提供 0.4 或 0.8 的精密衰減能力、共模電平位移以及單端信號(hào)到差分信號(hào)轉(zhuǎn)換，并具有輸入過壓保護(hù)功能（圖 5）。該器件包含一整套 AFE 構(gòu)件，包括經(jīng)過匹配的激光微調(diào)輸入電阻器和一個(gè)精密差分放大器。該放大器可用于將工業(yè)級(jí)信號(hào)連接到低電壓、高性能 16 或 18 位單電源 SAR（逐次逼近）ADC 的差分輸入端。AD8475 放大器可使用單電源處理 ±10 V 信號(hào)，當(dāng)在單個(gè) 5 V 電源下運(yùn)行時(shí)，還可提供相對(duì)輸入電壓高達(dá) ±15 V 的過壓保護(hù)。

圖 5：Analog Devices 的 AD8475 全差分漏斗放大器使用經(jīng)過匹配的內(nèi)部激光微調(diào)電阻器，提供 0.8 和 0.4 的引腳可編程增益。（圖片來源：Analog Devices）

AD8475 具有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)增益選項(xiàng)：0.4 和 0.8。使用與目標(biāo)增益對(duì)應(yīng)的輸入引腳可設(shè)置該器件的增益。

AD8475 漏斗放大器的大電流差分輸出級(jí)能夠讓放大器驅(qū)動(dòng)許多 ADC 的開關(guān)電容器前端電路，且誤差很小。此外，壓擺增強(qiáng)型 AD8475 的高速輸出使其能夠穩(wěn)定至 18 位精度，實(shí)現(xiàn)快至每秒 4 兆次的采集率，因而可以測(cè)量高速電流（進(jìn)而測(cè)量功率）。該放大器的差分輸出可輕松驅(qū)動(dòng) SAR、ΣΔ 和流水線型 ADC 的輸入。

圖 6 顯示的 AD8475 放大器將差分輸入驅(qū)動(dòng)到 Analog Devices 每秒 1 兆次采樣的 18 位、低功耗AD7982ADC。

圖 6：AD8575 漏斗放大器的差分輸出可直接驅(qū)動(dòng)像 Analog Devices AD7982 這樣的 ADC 的差分輸入。（圖片來源：Analog Devices）

該差分輸入 ADC 由單個(gè)電源供電。三個(gè)正弦波形描述了該電路執(zhí)行漏斗放大器可以執(zhí)行的所有三種信號(hào)處理任務(wù)的示意圖：衰減、電平位移和差分驅(qū)動(dòng)。請(qǐng)注意，位于圖中間頂部和底部的兩個(gè)正弦波的相位差為 180°。這兩個(gè)波形展示了 AD8475 放大器的差分驅(qū)動(dòng)能力。

圖中左下方 Analog Devices 的ADR435超低噪聲 XFET? 電壓基準(zhǔn)為該電路生成了精確的 5 V 基準(zhǔn)電壓。

圖 6 中的電路可適應(yīng)來自電流檢測(cè)電阻器的雙極 ±10 V 的交流輸入信號(hào)擺動(dòng)。此電路可對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行衰減和電平位移，最終使用以 2.5 V 直流偏移為中心的 4 V 峰峰信號(hào)擺幅來驅(qū)動(dòng) ADC 的輸入，以匹配 AD7982 ADC 的輸入要求。由兩個(gè) 10 千歐 (kΩ) 電阻器組成的分壓器（如圖中右下角所示）可為 AD8475 的 VOCM 輸入引腳產(chǎn)生 2.5 V 偏移基準(zhǔn)電壓，用于設(shè)置該放大器的輸出電壓偏移。設(shè)計(jì)工程師可利用此功能接入設(shè)計(jì)中所用 ADC 需要的精確偏移電壓。

總結(jié)

許多工業(yè)應(yīng)用都以相對(duì)較高的電壓來驅(qū)動(dòng)負(fù)載。這種情況下，高壓側(cè)電流測(cè)量電路的模擬前端必須能夠接受通常大于其供電電壓的輸入信號(hào)電壓。而處理這樣的輸入電壓需要進(jìn)行信號(hào)衰減和電平位移。漏斗放大器專為這類信號(hào)調(diào)節(jié)任務(wù)而設(shè)計(jì)，它集成了經(jīng)過工廠匹配的精密型激光微調(diào)電阻器。

此外，配有差分輸出功能的漏斗放大器還可輕松驅(qū)動(dòng)高速 ADC，這些 ADC 帶有開關(guān)電容器前端電路，具有非常特殊的驅(qū)動(dòng)要求。