本文介紹的基于運(yùn)放的電流檢測電路并不新鮮,,它的應(yīng)用已有些時日,,但關(guān)于電路本身的討論卻比較少,。在相關(guān)應(yīng)用中它被非正式地命名為“電流驅(qū)動”電路,,所以我們也沿用這一名稱。我們先來探究其基本概念,。它是一個運(yùn)算放大器及 MOSFET 電流源(注意,,也可以使用雙極晶體管,但是基極電流會導(dǎo)致 1%左右的誤差),。圖 1A 顯示了一個基本的運(yùn)算放大器電流源電路,。把它垂直翻轉(zhuǎn),就可以做高側(cè)電流檢測(如圖 1B 所示),,在圖 1C 中重新繪制,,顯示我們將如何使用分流電壓作為輸入電壓,圖 1D 是最終的電路,。
圖 1:從基本運(yùn)算放大器電流源轉(zhuǎn)換為具有電流輸出的高側(cè)電流檢測放大器,。
圖 2 顯示了電路電源電壓低于運(yùn)算放大器的額定電源電壓。在電壓 - 電流轉(zhuǎn)換中添加一個負(fù)載電阻,,記住您現(xiàn)在有一個高阻抗輸出,,如果您想要最簡單的方案,這樣可能就行了,。
基本電路
圖 2 顯示了基本實(shí)現(xiàn)高側(cè)電流檢測的完整電路,。需要考慮的細(xì)節(jié)有:
● 運(yùn)放必須是軌對軌輸入,或者有一個包括正供電軌的共模電壓范圍,。零漂移運(yùn)算放大器可實(shí)現(xiàn)最小偏移量,。但請記住,即使使用零漂移軌對軌運(yùn)放,,在較高的共模范圍內(nèi)運(yùn)行通常不利于實(shí)現(xiàn)最低偏移,。
● MOSFET 漏極處的輸出節(jié)點(diǎn)由于正電壓的擺動而受到限制,,其幅度小于分流電源軌或小于共模電壓。采用一個增益緩沖器可以降低該節(jié)點(diǎn)處的電壓擺幅要求,。
● 該電路不具備在完全短路時低邊檢測或電流檢測所需的 0V 共模電壓能力,。在圖 2 所示的電路中,最大共模電壓等于運(yùn)算放大器的最大額定電源電壓,。
● 該電路是單向的,,只能測量一個方向的電流。
● 增益精度是 RIN 和 RGAIN 公差的直接函數(shù),。很高的增益精度是可能獲得的,。
● 共模抑制比(CMRR)一般由放大器的共模抑制能力決定,。MOSFET 也對 CMRR 有影響,,漏電的或其它劣質(zhì)的 MOSFET 可降低 CMRR。
圖 2:最簡單的方法是使用電源電壓額定值以內(nèi)的運(yùn)算放大器,。圖中配置的增益為 50,。增益通過 RGAIN/RIN 設(shè)定。
性能優(yōu)化
一個完全緩沖的輸出總是比圖 2 的高阻抗輸出要通用得多,,它在緩沖器中提供了較小的增益 2,,可降低第一級和 MOSFET 的動態(tài)范圍要求。
在圖 3 中,,我們還添加了支持雙向電流檢測的電路,。這里的概念是使用一個電流源電路(還記得圖 1A 吧?)以及一個輸入電阻(RIN2),,它在 U1 非逆變輸入端等于 RIN(這時為 RIN1),。然后這個電阻器產(chǎn)生一個抵消輸出的壓降,以適應(yīng)必要的雙向輸出擺動,。從 REF 引腳到整個電路輸出的增益基于 RGAIN/ROS 的關(guān)系,,這樣就可以配置 REF 輸入來提供單位增益,而不用考慮通過 RGAIN/RIN 所設(shè)置的增益(只要 RIN1 和 RIN2 的值相同),,就像傳統(tǒng)的差分放大器參考輸入一樣工作:
VREFOUT=VREF*(RGAIN/ROS)*ABUFFER
(其中 ABUFFER 是緩沖增益)
注意,,在所有后續(xù)電路中,雙向電路是可選的,,對于單向電路工作可以省略,。
圖 3:這一版本增加了緩沖輸出和雙向檢測能力。它提供了一個參考輸入,,即使在 RIN1 和 RIN2 值確定了不同增益設(shè)置的情況下,,它也總是在單位增益下工作。
在共模高電壓下使用
通過浮動電路并使用具有足夠額定電壓的 MOSFET,,電流驅(qū)動電路幾乎可在任何共模電壓下使用,,電路工作電壓高達(dá)數(shù)百伏的應(yīng)用已經(jīng)非常常見和流行,。電路能達(dá)到的額定電壓是由所使用的 MOSFET 的額定電壓決定的。
浮動電路包括在放大器兩端增加齊納二極管 Z1,,并為它提供接地的偏置電流源,。齊納偏壓可像電阻一樣簡單,但是我喜歡電流鏡技術(shù),,因?yàn)樗岣吡穗娐烦惺茇?fù)載電壓變化的能力,。這樣做時,我們已創(chuàng)建了一個運(yùn)放的電源“窗口”,,在負(fù)載電壓下浮動,。
另一個二極管 D1 出現(xiàn)在高壓版本中。這個二極管是必要的,,因?yàn)橐粋€接地的短路電路最初在負(fù)載處會把非逆變輸入拉至足夠負(fù)(與放大器負(fù)供電軌相比),,這將損壞放大器。二極管可以限制這種情況以保護(hù)放大器,。
圖 4:高壓電路“浮動”運(yùn)放,,其齊納電源處于負(fù)載電壓軌。
該電路其它鮮為人知的應(yīng)用
我不確定是否還有人使用電流檢測 MOSFET,。幾年前的一些實(shí)驗(yàn)室研究表明,,一旦校準(zhǔn),MOSFET 電流檢測是非常精確和線性的,,盡管它們具有約 400ppm 的溫度系數(shù),,我對這樣的結(jié)果很滿意。但是,,最佳的電路結(jié)構(gòu)迫使檢測電極在與 MOSFET 的源電壓相同的電壓下工作,,同時輸出部分電流。
圖 5 顯示了如何使用電流驅(qū)動電路來實(shí)現(xiàn) MOSFET 檢測 FET 電路,。