絕大多數(shù)的模擬芯片(比較器,、運(yùn)算放大器、儀表放大器,、基準(zhǔn)源和濾波器等)都是用來(lái)處理電壓信號(hào)的,。當(dāng)用來(lái)處理電流信號(hào)時(shí)，設(shè)計(jì)師的選擇就較少了,，且頭痛的事情也比較多,。這是很不幸的，因?yàn)橹苯颖O(jiān)控和測(cè)量電流具有很大的優(yōu)點(diǎn),。對(duì)于電機(jī)力矩,、螺線管力、LED亮度,、太陽(yáng)能電池光照以及電池能量等參數(shù),，通過(guò)觀測(cè)電流是最好的監(jiān)控方式。因此需要一個(gè)能夠精密地檢測(cè)電流并將該電流轉(zhuǎn)換成易于常見的電壓型器件(放大器,、比較器和ADC等)進(jìn)行放大,、調(diào)節(jié)和測(cè)量的電壓的電路,。

盡管一只電阻就可以將電流轉(zhuǎn)換成電壓,，但電阻自身卻無(wú)法提供完整方案,。最常用的方案是采用一只檢測(cè)電阻，將該電阻直接串聯(lián)在電流通道中,，再用一個(gè)放大器來(lái)隔離并調(diào)節(jié)電阻上的電壓(VSENSE),。
 

                                                                   圖1：電流檢測(cè)電路的原理。

                                                                圖2：實(shí)際的電流檢測(cè)電路,。


結(jié)合使用放大器和檢測(cè)電阻

乍看起來(lái),，將一只電阻器與地串聯(lián)起來(lái)似乎與最直接的電流檢測(cè)方案很相似。這種技術(shù)就是眾所周知的低端電流檢測(cè)(圖3A),，該技術(shù)要求沒有接地路徑存在,，因?yàn)榻拥芈窂綍?huì)對(duì)檢測(cè)電阻器周邊的電流分流，或者說(shuō)會(huì)使相鄰電路貢獻(xiàn)電流,。特別是當(dāng)機(jī)械外殼是系統(tǒng)地的話,，要串聯(lián)進(jìn)一只檢測(cè)電阻器將是不實(shí)際的。同樣,，由于地并非良導(dǎo)體,，系統(tǒng)中不同點(diǎn)的接地電壓會(huì)不一致，從而在精密測(cè)量中需要采用一個(gè)差分放大器(圖3B),。
 

                                                             圖3A：低端電流檢測(cè)拓?fù)洹?/p>

                                                     圖3B：低端電流檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn),。


當(dāng)實(shí)現(xiàn)低端電流檢測(cè)時(shí)有一個(gè)非常嚴(yán)重的問題。在接地路徑中采用一只電阻器,，意味著負(fù)載的地電位隨著電流的變化而變化,。這將引起系統(tǒng)的共模誤差，并在與要求相同地電位的其他系統(tǒng)連接時(shí)出現(xiàn)問題,。因?yàn)閂SENSE的幅度將影響分辨率,，設(shè)計(jì)師需要在分辨率和接地噪聲方面進(jìn)行權(quán)衡。100mV的VSENSE滿量程將轉(zhuǎn)換成100mV的注入接地噪聲,。但是,，可以通過(guò)將電流檢測(cè)電阻器置于電源和負(fù)載之間來(lái)避免出現(xiàn)上述地電平的變化問題。

這種替代方案被稱作為高端電流檢測(cè),。同樣,，位于檢測(cè)電阻兩端的差分電壓提供了直接的電流測(cè)量，但在電阻器的兩端存在一個(gè)非零的共模電壓,。因此該電路也提出了技術(shù)挑戰(zhàn),，即必須將微小的差分檢測(cè)電壓與來(lái)自電源的共模電壓區(qū)分開來(lái)(圖4)。
 

                                                                               圖4：高端電流檢測(cè),。


對(duì)于低壓系統(tǒng),，儀表放大器或軌到軌差分放大器足以用來(lái)實(shí)現(xiàn)高端檢測(cè)電阻器的檢測(cè)。放大器的輸出必須轉(zhuǎn)換到地，且不能增加太大的誤差,。而到電源電壓非常高時(shí),，就需要采用電路將VSENSE降低到放大器的共模范圍內(nèi)，或者將放大器懸浮到電源電壓上,。這樣,，除了增大電路板空間和成本外，該技術(shù)還假定了共模電壓必須位于一個(gè)很小的規(guī)定范圍內(nèi),。對(duì)于絕大多數(shù)的電流檢測(cè)應(yīng)用,，能夠預(yù)測(cè)大的共模波動(dòng)是非常有用的。例如,，如果在電源電壓下降時(shí)電流檢測(cè)電路仍能工作的話,，就可以指示出究竟是電源還是負(fù)載出現(xiàn)了問題，電流過(guò)大時(shí)意味著限流機(jī)制或負(fù)載發(fā)生了故障,，反之,，過(guò)小時(shí)則說(shuō)明是電源的故障。另一方面,，電流檢測(cè)電路可能面對(duì)超過(guò)電源電壓的共模電壓,。許多電流型器件，例如電機(jī)和螺線管,，都呈感性,，流通電流的快速變化會(huì)引起電感性回掃，從而在檢測(cè)電阻器上產(chǎn)生大的電壓擺幅,。也正是在這些情況下放大器顯得最有用1,。

簡(jiǎn)單方案

為了解決電流檢測(cè)的技術(shù)挑戰(zhàn)，出現(xiàn)了高端電流檢測(cè)放大器,。這些特殊的放大器能夠從高共模電壓中提取由流經(jīng)小檢測(cè)電阻的電流產(chǎn)生的低差分電壓,。該檢測(cè)電壓然后被放大并被轉(zhuǎn)換成以地為基準(zhǔn)的信號(hào)。圖5給出了高端電流檢測(cè)放大器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),。在這種情況下,，放大器將一個(gè)等效于VSENSE的電壓強(qiáng)加到RIN上。通過(guò)RIN的電流被迫通過(guò)ROUT,，從而產(chǎn)生一個(gè)以地為基準(zhǔn)的電壓,。 很顯然，對(duì)于基本的高端電流檢測(cè)放大器來(lái)說(shuō),，要求具有高輸入阻抗,，具有高精度的高增益，具有良好共模抑制性能的寬共模范圍,。還有一點(diǎn)不太明顯的是放大器的精度也很重要,。

                                                      圖5：基本的高端電流檢測(cè)放大器,。


1對(duì)于開關(guān)或整流型負(fù)載，在開關(guān)和負(fù)載之間安置一個(gè)傳感電阻器將會(huì)在放大器端引起一個(gè)較大的,、且頻率可能很高的共模電壓,。即便是放大器具有很高的共模抑制能力，當(dāng)出現(xiàn)很大的高頻共模電壓時(shí),，也會(huì)導(dǎo)致CMRR誤差,。為了避免這一不必要的難題,，傳感電阻器應(yīng)該對(duì)著電源放置,，以免受到整流電壓的影響。

阻抗是關(guān)鍵

理想情況下,，電流和電壓檢測(cè)都不應(yīng)影響所連接的負(fù)載,。這意味著電壓檢測(cè)器件應(yīng)該具有近似無(wú)窮大的輸入阻抗，這樣才能確保對(duì)負(fù)載沒有明顯的分流,。相反,，電流檢測(cè)應(yīng)該具有近似為零的輸入阻抗，這樣才能確保加到負(fù)載上的電壓不會(huì)明顯降低,。高端電流檢測(cè)電路(放大器+電阻器)應(yīng)滿足這兩項(xiàng)要求,。用來(lái)檢測(cè)RSENSE上電壓的放大器必須具有高輸入阻抗，而用來(lái)檢測(cè)負(fù)載電流的電阻則必須非常小,。

為了進(jìn)一步證明這一點(diǎn),，可以嘗試使用大檢測(cè)電阻。隨著串聯(lián)電阻的增加,，負(fù)載上的電壓下降,。外部串聯(lián)的電阻是消耗能量的原因，過(guò)大的檢測(cè)電阻還會(huì)導(dǎo)致過(guò)度的熱耗散,，從而引起長(zhǎng)期的可靠性問題,。

那么，是否有任何理由來(lái)使用大電阻呢,？使用大電阻的主要優(yōu)點(diǎn)是增加總的輸出電壓(等式1),。這在放大器的增益固定或增益可配置能力有限時(shí)是有用的。

對(duì)檢測(cè)電阻的大小有一個(gè)限制,。放大器的輸入范圍和最大期望電流將決定最大的可用檢測(cè)電阻(等式2),。

例如，如果通過(guò)檢測(cè)電阻的最大電流(ISENSE_MAX)預(yù)期為50mA,，而高端電流檢測(cè)放大器所能接收的最大輸入電壓為250mV(VSENSE_MAX),，則最大檢測(cè)電阻為5ohms (RSENSE_MAX)。

理論上,，不應(yīng)該強(qiáng)迫設(shè)計(jì)師通過(guò)增加檢測(cè)電阻來(lái)補(bǔ)償放大器,。只要放大器能夠以足夠的增益和精度工作，設(shè)計(jì)師就應(yīng)該使用最小可接受的檢測(cè)電阻。這可以根據(jù)電流檢測(cè)放大器的輸入偏置電壓和必須處理的最小電流來(lái)計(jì)算,。
 

例如,，如果需要1mA的分辨率(IRES)，而高端電流檢測(cè)放大器的偏置電壓是1mV (VOFFSET),，最大檢測(cè)電阻則應(yīng)為1ohm (RSENSE_MIN),。方程3強(qiáng)調(diào)了一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，即最小檢測(cè)電阻直接與高端電流檢測(cè)放大器的偏置電壓有關(guān),。

密切關(guān)注先進(jìn)的電流檢測(cè)放大器

由于具有高端電流檢測(cè)的精度,，新一代高端電流檢測(cè)放大器的性能相對(duì)于上一代有了顯著的改善。例如,，凌力爾特科技公司的LTC6102就是一款結(jié)合了零漂移技術(shù)的最新高端電流檢測(cè)放大器,。該放大器的輸入偏置電壓只有10μV，最大偏置漂移只有50nV/℃,。與上一代的電流檢測(cè)放大器相比,，LTC6102可以使用更小的檢測(cè)電阻2。如果系統(tǒng)能夠允許更大的VSENSE,， LTC6102可以接收高達(dá)2V的檢測(cè)電壓,。這種組合偏置加上這一最大檢測(cè)電壓可以使放大器提供106dB的動(dòng)態(tài)范圍，從而能夠處理來(lái)自電流放大器的微安級(jí)電流,。用它可以檢測(cè)更小的電流,，因?yàn)榭梢岳猛獠侩娮柽_(dá)到任意的增益值。通過(guò)利用精密電阻器,，增益精度可以優(yōu)于99%,。
 

圖6：凌力爾特科技公司的LTC6102可以直接實(shí)現(xiàn)高端電流檢測(cè)。配置該器件只需一個(gè)RSENSE和兩個(gè)增益電阻器,。設(shè)計(jì)師可以通過(guò)選擇RIN和 ROUT來(lái)定制功耗,、響應(yīng)時(shí)間以及輸入/輸出阻抗特性。

LTC6102也并不犧牲其他重要的電流檢測(cè)功能,。高輸入阻抗將輸入偏置電流限制在300pA以下,。LTC6102在高達(dá)105V的共模輸入電壓條件下仍能工作。共模抑制達(dá)到130dB,，在100V的共模輸入電壓范圍內(nèi)所貢獻(xiàn)的偏差小于32 uV3,。在故障保護(hù)方面，該器件的響應(yīng)時(shí)間為1usec,，因此在負(fù)載或電源發(fā)生意外時(shí)能夠迅速地關(guān)斷電源,。

2與具有1mV偏置電壓和1 uV/℃漂移的典型高端電流檢測(cè)放大器相比，LTC6102具有最小的理論檢測(cè)電阻值(RSENSE_MIN, 等式3),，對(duì)于任何給定的電流分辨率(IRES) 而言都要小99%,。

3共模抑制等于20 * Log [VCM / VOS],。

本文小結(jié)

高端電流檢測(cè)放大器為檢測(cè)和控制電流提供了諸多內(nèi)在的優(yōu)勢(shì)。先進(jìn)的電池管理和電機(jī)控制技術(shù)就是很好的一些實(shí)際應(yīng)用案例,，它們對(duì)具有更高共模電壓,、更高準(zhǔn)確度和更高精度的電流檢測(cè)放大器提出迫切需求。業(yè)界領(lǐng)先的LTC6102由于具有強(qiáng)大的功能和出色的精度而得到了業(yè)界的青睞,。目前的高端電流檢測(cè)放大器已經(jīng)達(dá)到了業(yè)界領(lǐng)先精度的運(yùn)算放大器的性能水平,，為設(shè)計(jì)師提供了一個(gè)簡(jiǎn)單、多功能和高精度的選擇,，可以完全替代過(guò)去精度低而且復(fù)雜的電流檢測(cè)電路,。