盡管滿擺幅（rail-to-rail）運(yùn)算放大器現(xiàn)在是一種公認(rèn)的高端直流（dc）電流檢測(cè)方法,，但可靠的電路仍然需要仔細(xì)的分析與設(shè)計(jì),。
在負(fù)載的高端進(jìn)行電流檢測(cè)通常是可取的。不過(guò),，為了成功地實(shí)現(xiàn)這種方法，工程師們必須克服一些設(shè)計(jì)障礙?，F(xiàn)在,，由于可以得到滿擺幅運(yùn)算放大器，圖1所示 電路業(yè)已成為一種受歡迎的高端直流檢測(cè)手段,。這種電路受歡迎有幾個(gè)原因,，它以單電源供電，電源電壓范圍寬,，因而適用于高端或低端電流檢測(cè),。輸入 CMRR（共模抑制比）也與運(yùn)算放大器本身的基本抑制特性相當(dāng)，并且不依賴于電阻器的匹配,。該電路的增益和輸入輸出電壓范圍設(shè)置方便,，可達(dá)到±1%乃至更 佳測(cè)量精度。只要元件選擇得當(dāng),，它還可以在很寬的溫度范圍內(nèi)工作,，并且不需要“特殊功能”IC或單電源IC。
本例采用的滿擺幅運(yùn)算放大器的優(yōu) 點(diǎn)是,，輸入共模范圍可以一直“達(dá)到”正電源電壓,。大多數(shù)常規(guī)運(yùn)算放大器的輸入電壓范圍僅僅在正電源電壓的大約1V或2V 以內(nèi)。在選擇滿擺幅運(yùn)算放大器時(shí)要小心謹(jǐn)慎。制造商可能使用這一術(shù)語(yǔ)來(lái)表示輸入電壓范圍,、輸出電壓范圍或同時(shí)表示輸入和輸出電壓范圍,。在本例應(yīng)用中，滿擺 幅運(yùn)算放大器的主要特性是,，其輸入范圍包含正電源電壓,。剛上市的一些運(yùn)算放大器都具有高端檢測(cè)所必需的這一特性，不過(guò)這些器件并沒(méi)有歸類為滿擺幅運(yùn)算放大器,；其中一個(gè)例子就是LF355 FET輸入型運(yùn)算放大器,。
圖1，這一基本的直流電流檢測(cè)電路具有良好的測(cè)量精度,，可在很寬的溫度范圍內(nèi)工作,，不需要獨(dú)家生產(chǎn)的集成電路。
圖1所示電路先檢測(cè)電流檢測(cè)電阻器兩端的壓降,，然后調(diào)節(jié)輸出晶體管的工作點(diǎn),，從而在ROUT和由RIN形成的反饋路徑中產(chǎn)生同樣的電流。由于本例中的晶體管具有反相響應(yīng),，你必須將反饋路徑接回到同相輸入端,，以獲得完全的負(fù)反饋?lái)憫?yīng)。該電路的傳遞函數(shù)為：
這個(gè)電路存在幾個(gè)潛在的誤差來(lái)源,。很顯然,，你要確保電流檢測(cè)電阻器具有應(yīng)用所必需的精確度。再者,，你要確保增益電阻器（ROUT/RIN）很精確,。R'IN是 選件，用來(lái)進(jìn)一步降低由運(yùn)算放大器的輸入偏置電流引起的任何失調(diào)誤差,。除此之外,，你還得在輸出晶體管上費(fèi)些腦筋。如果你使用雙極結(jié)型晶體管,，則附加的基極 電流會(huì)產(chǎn)生輸出誤差,。如果雙極結(jié)型晶體管具有的β為100（β=100），你就可以預(yù)料到輸出會(huì)提高1%（即1/β,，用百分比表示）,。你可以用達(dá)林頓晶體 管來(lái)大大降低這種誤差。此外,，你也可以使用MOSFET,，這種器件因其源極電流和漏極電流完全相同，不存在這種等效的基極電流誤差,。但是,，由于可能存在由 MOSFET漏電流引起的誤差,，所以漏電流小的器件是最佳選擇。這種漏電流只是在測(cè)量零電流或甚小電流值時(shí)才會(huì)產(chǎn)生誤差,，但是不會(huì)像雙極結(jié)型晶體管那樣產(chǎn) 生“增益”誤差,。
最后一個(gè)要解決的問(wèn)題是輸入和輸出的濾波。在大多數(shù)情況下,，增加一只與ROUT并聯(lián)的電容器就綽綽有余了,。這樣做就可給出如下熟悉的濾波響應(yīng)：
如果輸出必須對(duì)負(fù)載電流的快速變化迅速做出響應(yīng)，則你要確保輸出濾波器符合必要的上升/下降時(shí)間要求,。你可以通過(guò)以下公式快速估算該值：
%20 如果你的電路必須在輻射電平和傳導(dǎo)噪聲電平很高的惡劣環(huán)境下工作,，則要確保檢測(cè)引腳盡可能短并減小這些引腳之間的環(huán)路面積,。不要把電容器直接接在運(yùn)算放%20大器的反相引腳和同相引腳之間,；這樣做可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的穩(wěn)定性問(wèn)題,。如果你堅(jiān)持要在輸入端增加濾波功能，那就要采用圖2所示的安排,。CDIFF有助于限制差分噪聲的帶寬,，在其他情況下，這種噪聲會(huì)被作為合法信號(hào)加以放大和處理,。元件參數(shù)值如圖2所示時(shí),，3-dB帶寬大約為800%20Hz。修改輸出級(jí)（ROUT和COUT）還可以進(jìn)一步提高過(guò)濾功能,。
運(yùn)算放大器能充分抑制共模噪聲,，如60-Hz噪聲，但是其抑制共模噪聲的能力隨頻率的升高而降低,。在這一方面,，可以在運(yùn)算放大器不起作用處增加共模電容器（CCM）來(lái)濾除共模噪聲。在所給的例子中,，f3dB-CM設(shè)置為大約160 kHz。不要使用電容量較大的CCM來(lái)進(jìn)一步改善共模抑制性能,。如果CCM電容器的電容值太大,，匹配又不良，共模噪聲就會(huì)轉(zhuǎn)換成（由于電容器值失配而引起的）差模信號(hào),，于是,，放大器會(huì)將其作為合法信號(hào)來(lái)處理。
一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則是選用對(duì)設(shè)定輸入帶寬最有意義的CDIFF值,。然后,，選用CCM,使其電容量小到1/10，最好為1/100,。并要確保這些電容器具有合理的容差和良好匹配,。溫度系數(shù)很小的陶瓷電容器價(jià)格低廉,，非常適合用做CCM。此外,，還要記住運(yùn)算放大器電源引腳之間適當(dāng)去耦也是非常重要的,，因?yàn)閭鲗?dǎo)噪聲也可通過(guò)電源進(jìn)入，尤其是在運(yùn)算放大器直接由高端電源線供電（如圖所示）時(shí),。
該電路的輸出阻抗等于ROUT,， 因此，如果你將該電路輸出端連接到一個(gè)具有相對(duì)較低輸入阻抗的ADC（例如許多微控制器中的ADC）,，那就要使用跟隨器來(lái)緩沖輸出,，以防止輸出端無(wú)謂加載 和引起重大差錯(cuò)。幸運(yùn)的是,，如果使用的是雙運(yùn)算放大器,，就可以將剩余的運(yùn)算放大器配置成跟隨器，從而在不增加空間的情況下,，很方便地完成這一任務(wù),。
規(guī)定使用±15V電源的滿擺幅運(yùn)算放大器，可以由高達(dá)30V的電源供電,。在由較高電壓的電源供電時(shí),，圖3所示電路非常理想。運(yùn)算放大器僅承受齊納穩(wěn)壓器 兩端的電壓,，而輸出晶體管則提供必要的以地為基準(zhǔn)的電平移動(dòng),。對(duì)高端電壓最大值的唯一限制是，它不可超過(guò)輸出晶體管的額定擊穿電壓,。
圖3,，在進(jìn)行高壓直流電流檢測(cè)的場(chǎng)合，齊納穩(wěn)壓器為運(yùn)算放大器提供了一個(gè)高端基準(zhǔn)電源,。
要注意的是,，運(yùn)算放大器的參考點(diǎn)是相對(duì)于其V+電源端的，而在前面電路中則是相對(duì)于V-電源端的,。這就要求你用npn晶體管（或n溝道FET）去替換pnp晶體管（或p溝道FET）,，并觀察反相和同相輸入端的合適取向。在其他情況下,，適用于前面電路的公式,、論述、濾波技術(shù)和工作原理同樣適用于這一電路,。這個(gè)電路的唯一不利之處是,，如果輸出要求緩沖的話，它必須使用一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算放大器,。
這些電路都很靈活,，通常具有良好的性能,。不過(guò)，根據(jù)運(yùn)算放大器,、晶體管和濾波器電路的最終選用情況,，進(jìn)行測(cè)試并確保在整個(gè)預(yù)期的電流測(cè)量范圍內(nèi)具有足夠 的順應(yīng)性，這始終不失為明智之舉,。你只要在電路受到負(fù)載電流階躍變化時(shí),，用示波器監(jiān)測(cè)基極電壓或柵極電壓，就可以驗(yàn)證這一穩(wěn)定性,。
表1列出了 現(xiàn)成的電流檢測(cè)集成器件,，這些器件的體系結(jié)構(gòu)與本文中所述的相同。不過(guò),，盡管表1所列的許多器件可能相互之間“功能相同”,，但不可能找到任何一種非獨(dú)家生 產(chǎn)的器件。在選用這樣一種器件時(shí),，要確保其電壓額定值在設(shè)計(jì)的電源電壓范圍之內(nèi),。有些器件可進(jìn)行雙向電流檢測(cè)，并可能具有比較器來(lái)提供“行程”指示,。有些 器件的實(shí)際額定工作溫度為-40℃至+125℃,，使其在汽車和工業(yè)中的應(yīng)用范圍得以擴(kuò)大。
IR21XX系列的獨(dú)特之處在于,，其浮動(dòng)溝道體系結(jié)構(gòu)允許在高達(dá)600V的電位下進(jìn)行高/低端電流檢測(cè),。其輸出不是模擬電壓，而是正比于被測(cè)電流的輸出脈沖寬度,。它允許在沒(méi)有ADC的情況下進(jìn)行微處理器接口,。此外，它還可通過(guò)光耦合器來(lái)傳遞脈沖寬度,，實(shí)現(xiàn)真正的隔離,。
表1還列出了一些可供選用的霍爾效應(yīng)型電流檢測(cè)器件?；魻栃?yīng)型電流檢測(cè)可實(shí)現(xiàn)電流變壓器那樣的完全隔離,；兩者的區(qū)別就在于霍爾效應(yīng)既適合直流電流檢測(cè)又適合交流電流檢測(cè)。
表1所列器件絕非完整無(wú)缺,，許多制造商會(huì)定期在其產(chǎn)品系列中增加電流檢測(cè)器件，并且以甚至更快的速度淘汰一些產(chǎn)品,。