带有输入串联电阻的电流检测放大器的性能

摘要：本篇应用笔记阐述了高边电流检测放大器的性能特性。本文论述了在放大器的检测输入端如何使用串联电阻。该设计方法特别适用于需要对高压线路上检测电阻两端的小信号电压进行放大，并将放大的电压反馈至低压ADC或低压模拟控制环路的应用。文中给出了MAX4173和MAX4372的测试数据。

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 × RSENSE = VSENSE = IRG1 × 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 × IRGD = RGD × 增益 × IRG1 = RGD × 增益 × 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–MAX4375和MAX4376–MAX4378。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。

1. 相对于RG1，RSENSE+和RS+之间的串联电阻应保持足够小。
2. 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 × RGD/RG1 = 20 (T版MAX4173)

新增益

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

增益误差

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

最小增益误差

= RSERIES+/(1.3 × RG1 + RSERIES+)

最大增益误差

= RSERIES+/(0.7 × RG1 + RSERIES+)

RG1 = 6k (MAX4173)

VOS = IBIAS2 × RG2new - IBIAS1 × RG1new

= IBIAS1 × ((2 × RSERIES-) - RSERIES+); 其中IBIAS2 = 2 × IBIAS1

IBIAS1(最小值) = 0
IBIAS1(最大值) = 50µA (MAX4173)