带有输入串联电阻的电流检测放大器的性能

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概述

从功能上来说，电流检测放大器可看成一个输入级浮置的仪表/差分放大器。这就是说，即使仅采用VCC = 3.3V或5V单电源供电，器件仍然能够对共模电压远大于电源电压的输入差分信号进行放大。例如，电流检测放大器的共模电压可高达28V (MAX4372和MAX4173)和76V (MAX4080和MAX4081)。

电流检测放大器的这一特性对高边电流检测应用非常有用，在这些应用中需要放大高压线路上检测电阻两端的小信号电压，并将放大的电压反馈至低压ADC或低压模拟控制环路。在这类应用中，通常需要在源端对电流检测信号(如检测电阻两端的信号)进行滤波。该部分电路即可采用差分滤波器(图1)实现，以平滑负载电流“尖峰”并对电压进行检测；也可采用共模滤波器(图2)实现，以增强ESD性能，并抑制共模电压峰值和瞬时过压。设计上述滤波器时必须正确选择器件参数，以保证电路正常工作。如果元件值选择不当，将会引入无法预料的失调电压和增益误差，从而影响电路性能。


图1. 差分滤波器的电路图，可平滑负载电流尖峰


图2. 共模滤波器的电路图，增强了对ESD尖峰和共模过压的抑制能力确定采用何种滤波器

现在就以图3所示的MAX4173电流检测放大器为例。该器件的检测电阻直接与芯片的RS+和RS-端相连。内部运算放大器使得RG1两端电压与检测电阻两端的差分电压相等，即ILOAD x RSENSE = VSENSE = IRG1 x RG1。然后，电流(IRG1)可通过内部电流镜进行转换和放大，从而产生输出电流IRGD。在MAX4173的内部电路中RGD = 12k，RG1 = 6k。

因此，

VOUT = RGD x IRGD = RGD x 增益 x IRG1 = RGD x 增益 x VSENSE / RG1

由于RGD和RG1是片内电阻，因此，其实际电阻值通常随半导体制造工艺的变化最大波动可达±30%。由于最终增益精度由RGD与RG1的比值大小决定，因此，可以在生产期间很容易的控制最终增益并对其进行微调。


图3. MAX4173的内部功能框图

然而，当检测电阻的RSENSE+和RSENSE-端，与器件的RS+和RS-引脚之间接入串联电阻，构成差分/共模滤波器(如图1和图2所示)时，等效于器件的RG1和RG2阻值发生了变化。根据上述公式，改变调整好的RG1阻值将会引入增益误差。此外，由于RG1绝对值最大有±30%的波动，因此增益误差可达±30%，并且不同的器件的增益误差是不可控的或无法预测的。因此，控制增益误差唯一的办法就是确保输入串联电阻RSERIES+要比RG1小。

此外，由于器件输入偏置电流的存在，电阻RG1和RG2间的不匹配将会引入输入失调电压。MAX4173和MAX4372数据资料中给出的偏置电流IRS-是IRS+的2倍，因此，与RG1串联的电阻(RSERIES+)应是与RG2串联电阻(RSERIES-)的2倍，以消除输入失调电压。以下电流检测放大器具有同样的偏置电流特性：MAX4073、MAX4172、MAX4373-5和MAX4376-8。因此，需要采用相同技术使用恰当的输入电阻，以满足差分/共模信号的滤波设计。结论和验证

总之，如果满足下列条件，则检测电阻与RS+和RS-引脚之间的串联电阻所构成的输入滤波器将具有最佳性能。

   

• 相对于RG1，RSENSE+和RS+之间的串联电阻应保持足够小。   
  
• RSENSE+和RS+之间的串联电阻应是RSENSE-和RS-之间串联电阻的2倍。
  

最后，需要注意的是，由于RSERIES+是RSERIES-的2倍，因此共模滤波器电容也应相应调整以满足所期望的AC和瞬态性能的要求。

表1给出的实验测试结果是基于MAX4173T获得的，并支持上述讨论。VOS的最小值和最大值是根据数据资料中的最小和最大偏置电流计算的；而增益误差的最小值和最大值则是根据RG1 = 6k ±30%计算的。

表1. MAX4173串联电阻的测试结果


同理，MAX4372F的实验测试结果如表2所示(RG1 = 100k)。

表2. MAX4372串联电阻的测试结果


增益误差的最小值和最大值以及VOS的最小值和最大值的计算公式如下所示。

原增益

= 常数 x RGD / RG1 = 20 (T版MAX4173)

新增益

= 常数 x RGD / RG1new; RG1new = RG1 + RSERIES+
= 原增益 x RG1/RG1new
= 20 x RG1 / (RG1 + RSERIES+)

增益误差

= (20 - 新增益) / 20%
= RSERIES+ / (RG1 + RSERIES+)

最小增益误差

= RSERIES+ / (1.3 x RG1 + RSERIES+)

最大增益误差

= RSERIES+ / (0.7 x RG1 + RSERIES+)

RG1 = 6k (MAX4173)

VOS = IBIAS2 x RG2new - IBIAS1 x RG1new
= IBIAS1 x ((2 x RSERIES-) - RSERIES+); 其中IBIAS2 = 2 x IBIAS1

IBIAS1(最小值) = 0
IBIAS1(最大值) = 50?A (MAX4173)