《電子技術(shù)應(yīng)用》
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高端電流檢測放大器性能分析
摘要: 在討論器件功能時,,檢流放大器可以看作一個輸入級浮空的儀表/差分放大器,。這意味著即使器件采用VCC=3.3V或5V單電源供電,在輸入共模電壓遠(yuǎn)高于電源電壓的條件下,器件仍然能夠正常放大差分輸入信號,。檢流放大器的共模電壓可以很高,例如可以高達(dá)28V(MAX4372和MAX4173)或76V(MAX4080和MAX4081),。
Abstract:
Key words :

  在討論器件功能時,,檢流放大器可以看作一個輸入級浮空的儀表/差分放大器。這意味著即使器件采用VCC=3.3V或5V單電源供電,,在輸入共模電壓遠(yuǎn)高于電源電壓的條件下,,器件仍然能夠正常放大差分輸入信號。檢流放大器的共模電壓可

 

以很高,,例如可以高達(dá)28V(MAX4372和MAX4173)或76V(MAX4080和MAX4081),。 

 

  檢流放大器的這一特性使其非常適合高端電流檢測應(yīng)用,這類應(yīng)用往往需要對高壓側(cè)檢流電阻兩端的微小電壓進(jìn)行放大,,并饋入到低壓ADC或低壓模擬控制環(huán)路進(jìn)行處理,。這種情況下,通常需要在信號源端(例如檢流電阻兩端)對電流檢測信號進(jìn)行濾波,??梢圆捎貌罘譃V波器(圖1)濾除負(fù)載電流和檢流電壓的“毛刺”,也可以采用共模濾波器(圖2)以增強(qiáng)在出現(xiàn)共模電壓尖峰或瞬時過壓時的ESD保護(hù)能力,。合理選擇元件構(gòu)建濾波器,,如果元件選擇不當(dāng),則會引入一些無法預(yù)知的失調(diào)電壓和增益誤差,,降低電路性能,。 

  濾波器的選擇 

  MAX4173檢流放大器如圖3所示,該器件的檢流電阻可直接連接到芯片的RS+和RS-端,。器件內(nèi)部的運算放大器將檢流電阻兩端的差分電壓恢復(fù)成RG1兩端的差分電壓,,即ILOAD×RSENSE=VSENSE=IRG1×RG1。然后,內(nèi)部電流鏡對電流IRG1進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和放大,,產(chǎn)生輸出電流IRGD,。MAX4173的內(nèi)部電路中RGD=12kΩ,而RG1=6kΩ,。 

  因此,,

  公式

  由于RGD和RG1為片上電阻,實際阻值會因不同的半導(dǎo)體工藝而產(chǎn)生多達(dá)±30%的差異,。但是,,因為最終增益精度取決于RGD和RG1的比例,所以可以很好地控制增益,,并在生產(chǎn)過程中靈活調(diào)整,。 

  構(gòu)建差分/共模濾波器(如圖1和圖2所示)時,需要在檢流電阻的RSENSE+和RSENSE-端與器件的RS+和RS-引腳之間接入串聯(lián)電阻,,此時相當(dāng)于改變了芯片的RG1和RG2,。由上面的等式可知,改變后的RG1將引入增益誤差,。同時,,由于RG1的絕對誤差最大可達(dá)±30%,因此增益誤差最大將達(dá)到±30%,,由于這種誤差的引入是隨機(jī)的,,所以無法控制或估算誤差。由此可見,,控制增益誤差的唯一辦法是保證輸入串聯(lián)電阻RSENSE+遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于RG1,。 

采用差分濾波器消除負(fù)載電流的

圖1:采用差分濾波器消除負(fù)載電流的“毛刺”。 

采用共模濾波器改善電壓尖峰或出現(xiàn)共模過壓時的ESD保護(hù)能力

圖2:采用共模濾波器改善電壓尖峰或出現(xiàn)共模過壓時的ESD保護(hù)能力,。 

MAX4173的內(nèi)部功能框圖

圖3:MAX4173的內(nèi)部功能框圖,。 

  另外,由于輸入偏置電流的存在,,電阻RG1和RG2之間的不匹配將會引入輸入失調(diào)電壓,。根據(jù)MAX4173和MAX4372的數(shù)據(jù)資料,偏置IRS-等于兩倍的IRS+,,因此與RG1串聯(lián)的電阻RSERIES+應(yīng)等于與RG2串聯(lián)的電阻RSERIES-的兩倍,,以消除輸入失調(diào)電壓。 

  綜上所述,,只有在滿足以下條件的情況下,,在RS+和RS-引腳之間接入串聯(lián)電阻后所構(gòu)成的濾波器可以獲得最佳性能: 

  1. RSENSE+與RS+之間的串聯(lián)電阻遠(yuǎn)小于RG1; 

  2. RSENSE+與RS+之間的串聯(lián)電阻應(yīng)等于RSENSE-與RS-之間的串聯(lián)電阻的兩倍,。 

  注意,,由于RSERIES+等于RSERIES-的兩倍,,應(yīng)相應(yīng)增大共模濾波器的電容,以滿足交流和瞬態(tài)性能的要求,。 

MAX4173串聯(lián)電阻的測試結(jié)果 

表1:MAX4173串聯(lián)電阻的測試結(jié)果,。 

MAX4372串聯(lián)電阻的測試結(jié)果

表2:MAX4372串聯(lián)電阻的測試結(jié)果。 

  表1給出了MAX4173T的實驗室測試結(jié)果,,用于驗證上述推論。VOS的最小值和最大值可由數(shù)據(jù)資料給出的偏置電流的最小值和最大值推算,,取RG1=6kΩ±30%用于計算最小值和最大增益誤差,。同樣,表2給出MAX7372F的測試結(jié)果(RG1=100kΩ),。最小,、最大增益誤差以及最小-最大VOS的計算推導(dǎo)如下: 

  Old Gain 

  =Constant×RGD/RG1=20(T-version MAX4173) 

  New Gain 

 ?。紺onstant×RGD/RG1new 

 ?。絉G1+RSERIES+ 

  =Old Gain×RG1/RG1new 

 ?。?0×RG1/(RG1+RSERIES+) 

  Gain Error 

 ?。?20-New Gain)/20% 

  =RSERIES+/(RG1+RSERIES+) 

  Min Gain Error 

 ?。絉SERIES+/(1.3×RG1 +RSERIES+) 

 

  Max Gain Error 

 ?。絉SERIES+/(0.7×RG1+RSERIES+) 

  RG1=6k(MAX4173) 

  VOS=IBIAS2×RG2new-IBIAS1×RG1new 

  =IBIAS1×((2×RSERIES-)-RSERIES+) 

  IBIAS2=2×IBIAS1 

  IBIAS1(min)=0 

  IBIAS1(max)=50uA(MAX4173)

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