带有输入串联电阻的电流检测放大器的性能

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V_CC = 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R_G1两端电压与检测电阻两端的差分电压相等，即I_LOAD x R_SENSE = V_SENSE = I_RG1 x R_G1。然后，电流(I_RG1)可通过内部电流镜进行转换和放大，从而产生输出电流I_RGD。在MAX4173的内部电路中R_GD = 12k，R_G1 = 6k。

因此，

V_OUT = R_GD x I_RGD = R_GD x 增益 x I_RG1 = R_GD x 增益 x V_SENSE / R_G1

由于R_GD和R_G1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R_GD与R_G1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R_SENSE+和R_SENSE-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R_G1和R_G2阻值发生了变化。根据上述公式，改变调整好的R_G1阻值将会引入增益误差。此外，由于R_G1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R_SERIES+要比R_G1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I_RS-是I_RS+的2倍，因此，与R_G1串联的电阻(R_SERIES+)应是与R_G2串联电阻(R_SERIES-)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R_G1，R_SENSE+和RS+之间的串联电阻应保持足够小。 R_SENSE+和RS+之间的串联电阻应是R_SENSE-和RS-之间串联电阻的2倍。 最后，需要注意的是，由于R_SERIES+是R_SERIES-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。V_OS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R_G1 = 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(R_G1 = 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V_OS的最小值和最大值的计算公式如下所示。

原增益

= 常数 x R_GD / R_G1 = 20 (T版MAX4173)

新增益

= 常数 x R_GD / R_G1new; R_G1new = R_G1 + R_SERIES+
= 原增益 x R_G1/R_G1new
= 20 x R_G1 / (R_G1 + R_SERIES+)

增益误差

= (20 - 新增益) / 20%
= R_SERIES+ / (R_G1 + R_SERIES+)

最小增益误差

= R_SERIES+ / (1.3 x R_G1 + R_SERIES+)

最大增益误差

= R_SERIES+ / (0.7 x R_G1 + R_SERIES+)

R_G1 = 6k (MAX4173)

V_OS = I_BIAS2 x R_G2new - I_BIAS1 x R_G1new
= I_BIAS1 x ((2 x R_SERIES-) - R_SERIES+); 其中I_BIAS2 = 2 x I_BIAS1

I_BIAS1(最小值) = 0
I_BIAS1(最大值) = 50µA (MAX4173)