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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(shí)，檢流放大器可以看作一個(gè)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)。

關(guān)鍵詞： 放大器高端電流檢測放大器性能分析

Abstract：

Key words :

　　在討論器件功能時(shí)，檢流放大器可以看作一個(gè)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(shí)過壓時(shí)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(yùn)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，

　　由于RGD和RG1為片上電阻，實(shí)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?yàn)樽罱K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(shí)，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(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果，用于驗(yàn)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(jì)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(jì)算推導(dǎo)如下：

　　Old Gain

　?。紺onstant×RGD／RG1＝20(T-version MAX4173)

　　New Gain

　?。紺onstant×RGD／RG1new

　?。絉G1＋RSERIES+

　?。絆ld Gain×RG1／RG1new

　?。?0×RG1／(RG1＋RSERIES+)

　　Gain Error

　?。?20－New Gain)／20%

　?。絉SERIES+／(RG1＋RSERIES+)

　　Min Gain Error

　　＝RSERIES+／(1.3×RG1 ＋RSERIES+)