本文介紹一種計(jì)算電流檢測放大器（CSA）總直流誤差預(yù)算的系統(tǒng)方法。討論了各個誤差源，并提出了估計(jì)總誤差預(yù)算的方法。最后，分步過程解釋了如何使用計(jì)算器軟件，該軟件旨在幫助快速計(jì)算所選CSA的總誤差。

介紹

集成電流檢測放大器（CSA）經(jīng)常用于測量電子電路中的電流。它們放大插入電流路徑中的檢測電阻上的小壓降，以執(zhí)行關(guān)鍵的系統(tǒng)級功能。示例包括過流保護(hù)和監(jiān)控器件、可編程電流源、線性和開關(guān)模式電源、電池充電器和電量計(jì)。雖然所需的電流檢測規(guī)格和實(shí)現(xiàn)方案與這些應(yīng)用本身一樣多種多樣，但分析CSA誤差預(yù)算是每個設(shè)計(jì)的基本組成部分。在為應(yīng)用選擇合適的器件時(shí)，徹底了解CSA誤差規(guī)格及其相互作用將證明非常有幫助。毋庸置疑，這種理解也將最大限度地減少最后一刻的設(shè)計(jì)迭代。

本文討論 CSA 誤差源，并概述估算總誤差預(yù)算的方法。分步過程解釋了如何使用Maxim Integrated開發(fā)的計(jì)算器軟件。該軟件通過簡單的基于Web的GUI，確定任何選定的Maxim CSA的總直流誤差預(yù)算。應(yīng)用示例將使讀者熟悉計(jì)算器的基本操作。設(shè)計(jì)提示和消息標(biāo)志將提醒您任何與CSA規(guī)范不一致的電路條件。

電流檢測放大器中的誤差源

CSA 中普遍存在多種直流誤差源。每個都經(jīng)過簡要回顧。

輸入失調(diào)電壓

與運(yùn)算放大器類似，輸入失調(diào)電壓（V操作系統(tǒng)） 定義為必須施加在 CSA 輸入端以將輸出電壓驅(qū)動至零的電壓。失調(diào)誤差通常不直接測量，因?yàn)樵趩坞娫辞闆r下，CSA的輸出不能低于輸出電壓低（V老） 限制。因此，輸入 V操作系統(tǒng)更準(zhǔn)確地推斷為觀察到的 V 的線性回歸之間的交集外和 V意義V上的傳遞曲線意義軸如圖1所示。

圖1.輸出電壓與檢測電壓的關(guān)系圖用于確定失調(diào)電壓。

如果 V輸出1是用V測量的輸出電壓意義= V感1，如果 V輸出2是用V測量的輸出電壓意義= V感2，然后 V操作系統(tǒng)可以用以下公式計(jì)算：

（公式1）

CSA中由輸入失調(diào)電壓引起的折合到輸出端的失調(diào)誤差由下式表示：

其中G = 放大器的預(yù)期增益。

最小化失調(diào)電壓誤差成分的一種方法是選擇較大的檢測電阻值。較大的值產(chǎn)生更高的檢測電壓，從而減少誤差預(yù)算中的失調(diào)電壓誤差分量。但是，有一個警告。選擇外部 R意義電阻是電阻兩端可接受的壓降或功耗與CSA失調(diào)誤差之間的微妙平衡。對于無法使用較大檢測電阻的高電流精密應(yīng)用，精密CSA可能是更好的選擇。

增益誤差

增益誤差定義為觀察到的差分增益相對于CSA的理想差分增益的百分比偏差。理想增益要么在內(nèi)部固定，要么由外部電阻之比設(shè)置。

從圖1中觀察到的增益為：

（公式4）

因此，增益誤差測量傳遞函數(shù)的觀測斜率相對于理想斜率的百分比偏差。

增益誤差分量產(chǎn)生的折合輸出誤差指定為：

（公式5）

增益非線性

完全線性的CSA在傳遞曲線中表現(xiàn)出恒定的斜率。通常，如果輸出擺幅在線性區(qū)域內(nèi)，則與失調(diào)和增益誤差相比，增益非線性可以忽略不計(jì)。（此區(qū)域?qū)⒂?CSA 數(shù)據(jù)手冊上的輸出電壓高和輸出電壓低規(guī)格指定。因此，在計(jì)算總誤差預(yù)算時(shí)，可以安全地忽略增益非線性誤差。

共模抑制比

共模抑制比（CMRR）衡量CSA抑制兩個輸入共有的輸入信號變化的能力。數(shù)據(jù)手冊中的CMRR規(guī)格通常是指輸入。CMRR 由以下公式定義：

（公式6）

共模輸入電壓變化的最大輸出折合誤差指定為：

地點(diǎn)：
數(shù)據(jù)表 V厘米= 共模電壓，數(shù)據(jù)手冊中描述了CSA的增益誤差和失調(diào)誤差。
最小 V厘米= 施加在用戶電路中的最小共模電壓。
最大 V厘米= 施加在用戶電路中的最大共模電壓。

電源抑制比

電源電壓抑制比 （PSRR） 測量 CSA 抑制電源電壓任何變化的能力，V抄送.數(shù)據(jù)手冊上的PSRR規(guī)格通常參考輸入端，以便將其影響與施加的差分信號進(jìn)行比較。電源電壓變化導(dǎo)致的最大輸出折合誤差指定為：

其中：
數(shù)據(jù)手冊VDD = 電源電壓，數(shù)據(jù)手冊中描述了CSA的增益誤差和失調(diào)誤差。
最小VDD = 用戶電路中施加的最小電源電壓
最大VDD = 用戶電路中施加的最大電源電壓

檢測電阻容差

由于大多數(shù)CSA使用外部檢流電阻，因此在計(jì)算總誤差預(yù)算時(shí)還必須考慮檢測電阻的容差。使用容差嚴(yán)格的電阻器來最小化此誤差分量。此外，對于大電流應(yīng)用，強(qiáng)烈建議使用4線開爾文連接電阻以獲得最佳效果。

檢測電阻容差折合到輸出端的誤差由下式給出：

（公式9）

輸出電阻容差

帶電流輸出的CSA（如MAX9934）通常與終端電阻配合使用，將輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓。電流輸出具有顯著優(yōu)勢：多個CSA可以在同一端接電阻上多路復(fù)用。電流輸出架構(gòu)的另一個優(yōu)點(diǎn)是，如果輸出電阻端接至ADC地，則CSA相對不受接地反彈誤差的影響。然而，輸出電阻容差是總誤差計(jì)算中必須考慮的另一個元件。輸出電阻容差的誤差為：

（公式10）

其中 GM= 跨導(dǎo)增益。

系統(tǒng)錯誤預(yù)算

設(shè)計(jì)人員經(jīng)常發(fā)現(xiàn)使用最壞情況的方法來計(jì)算CSA的總誤差很誘人。在這種方法中，總誤差計(jì)算為所有單個誤差源的簡單總和。雖然最壞情況方法保證永遠(yuǎn)不會超過誤差限值，但它通常會產(chǎn)生過于保守和不準(zhǔn)確的估計(jì)。在最壞情況下的方法中做出的一個隱含假設(shè)是，所有單獨(dú)的誤差源都是相關(guān)的，并且具有相同的極性。

另一種方法是平方根和 （RSS） 分析。在這里，總誤差是單個誤差的平方和的平方根。RSS 基于這樣一個事實(shí)，即在添加隨機(jī)（正態(tài)分布或高斯）測量的兩個分布時(shí)，結(jié)果分布的標(biāo)準(zhǔn)差等于初始分布標(biāo)準(zhǔn)差平方和的平方根。當(dāng)各個錯誤源不相關(guān)時(shí)，RSS 方法比最壞情況方法更現(xiàn)實(shí)，例如在 CSA 的情況下。如果使用保證的單個錯誤的最壞情況數(shù)，則 RSS 分析會產(chǎn)生最合理的結(jié)果。

關(guān)于 RSS 方法的一個有趣事實(shí)是，盡管它導(dǎo)致的總誤差大于單個誤差項(xiàng)，但主導(dǎo)誤差項(xiàng)通常會使所有其他項(xiàng)黯然失色。

使用RSS方法，電壓輸出CSA的總誤差預(yù)算如下：

（公式11）

使用RSS方法，電流輸出CSA的總誤差預(yù)算如下：

（公式12）

在這些計(jì)算中，所有誤差源都必須引用到同一節(jié)點(diǎn)，通常是輸入或輸出。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)镃SA的增益通常大于單位，因此輸出誤差的絕對大小大于輸入誤差幅度。

電流檢測誤差預(yù)算計(jì)算器

Maxim Integrated開發(fā)了一種新的計(jì)算器，以幫助設(shè)計(jì)人員估計(jì)所選CSA的總誤差。該軟件免費(fèi)提供，只需要用戶輸入幾個特定于應(yīng)用程序的信息字段。它會自動從所選CSA的數(shù)據(jù)表中預(yù)填充相關(guān)規(guī)格，并使用RSS方法輸出預(yù)期的最大總誤差。如果在輸入數(shù)據(jù)時(shí)無意中犯了錯誤，計(jì)算器還會標(biāo)記用戶。例如，如果輸入檢測電壓超過推薦的滿量程檢測電壓、電源電壓超出范圍、未滿足輸出擺幅約束等，它將提醒用戶。

要開始使用該工具，按照以下說明操作：

使用電流檢測誤差預(yù)算計(jì)算器

考慮過流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)，該電路要求CSA滿足以下規(guī)格：

輸入跳變點(diǎn) = 50A（單向）

檢測電阻容差 = 0.5%

檢測電阻 = < 1mΩ

電源電壓范圍 = 4.5V 至 5.5V

輸入共模電壓范圍 = 12V 至 18V

總誤差預(yù)算 = < 2%，這意味著 CSA 增益誤差< 2% 和 V操作系統(tǒng)< 1mV，因?yàn)閱蝹€誤差不能超過總誤差預(yù)算

第 1 步。參數(shù)搜索

基于上述標(biāo)準(zhǔn)，參數(shù)搜索篩選出以下候選CSA：MAX9922、MAX9918、MAX9929F、MAX4080、MAX4373和MAX4172。

第 2 步。電流檢測誤差計(jì)算器輸入

要根據(jù)總誤差預(yù)算縮小上述列表，請使用電流檢測誤差預(yù)算計(jì)算器。從Maxim CSA器件編號下拉框中選擇一個CSA，然后輸入特定于應(yīng)用的輸入?yún)?shù)（圖2）。

圖2.用戶必須輸入的輸入字段。

第 3 步。驗(yàn)證數(shù)據(jù)手冊規(guī)格

計(jì)算器自動填寫所選CSA數(shù)據(jù)手冊中的最大失調(diào)誤差、最大增益誤差、CMRR和PSRR規(guī)格。默認(rèn)情況下，這些規(guī)格對應(yīng)于T = 25°C，如圖3所示，MAX9922 CSA。

圖3.計(jì)算器從選定的 CSA 數(shù)據(jù)表中預(yù)填充相關(guān)規(guī)格。

現(xiàn)在按 計(jì)算 按鈕記下軟件計(jì)算的總誤差。

第 4 步。數(shù)據(jù)表覆蓋

即使計(jì)算器預(yù)先填充了數(shù)據(jù)手冊中的增益、失調(diào)誤差、增益誤差、CMRR和PSRR值，它也很靈活。如有必要，可以將這些值替換為用戶指定的值。例如，設(shè)計(jì)人員可能有一個用于校準(zhǔn)和消除軟件失調(diào)電壓影響的規(guī)定，在這種情況下，非精密CSA也可能滿足誤差預(yù)算要求。其他用戶可能對數(shù)據(jù)手冊中的最壞情況溫度規(guī)格更感興趣，而不是默認(rèn)的T = 25°C。

要替換預(yù)填充數(shù)字的值，請使用“輸入替代”字段進(jìn)行特定于應(yīng)用程序的調(diào)整。回到MAX9922示例，按下計(jì)算按鈕會產(chǎn)生圖4所示的錯誤。計(jì)算器提示用戶降低增益，因?yàn)檩敵鲭妷翰荒艹^器件的輸出電壓上限。

由于MAX9922的增益是可調(diào)的，只需在相應(yīng)的數(shù)據(jù)資料覆蓋字段中將增益降低至60V/V即可。更新增益后，圖5顯示了由此產(chǎn)生的總誤差預(yù)算。

圖 4.錯誤消息示例，如果不滿足任何設(shè)備約束。

圖 5.所選 CSA 的計(jì)算誤差預(yù)算。

第5步。選擇不同的 CSA

要評估下一個CSA（例如MAX9918）的誤差預(yù)算，只需更改Maxim CSA器件編號下拉框中的選擇。無需重新輸入輸入?yún)?shù)。單擊每個 CSA 選擇后的計(jì)算按鈕以獲取相應(yīng)的誤差預(yù)算。表 1 列出了此示例入圍的所有 CSA 的錯誤預(yù)算數(shù)字。結(jié)果表明，只有MAX9922和MAX9918滿足該應(yīng)用的總誤差預(yù)算標(biāo)準(zhǔn)。

總結(jié)

本文介紹了電流檢測誤差預(yù)算計(jì)算器，這是一個強(qiáng)大的工具，用于快速、合乎邏輯地識別CSA選擇。本文還解釋了更好地了解 CSA 錯誤規(guī)范的重要性。這些知識和計(jì)算器將共同幫助設(shè)計(jì)人員為應(yīng)用選擇最佳的CSA。作為計(jì)算器基礎(chǔ)的RSS誤差分析方法可以進(jìn)一步擴(kuò)展，以計(jì)算多個電子元件或電路的系統(tǒng)級精度性能。

審核編輯：郭婷