MAX4173檢流放大器早高端電流檢測中的應(yīng)用

在討論器件功能時，檢流放大器可以看作一個輸入級浮空的儀表/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行放大，并饋入到低壓ADC或低壓模擬控制環(huán)路進行處理。這種情況下，通常需要在信號源端（例如檢流電阻兩端）對電流檢測信號進行濾波。可以采用差分濾波器（圖1）濾除負載電流和檢流電壓的“毛刺”，也可以采用共模濾波器（圖2）以增強在出現(xiàn)共模電壓尖峰或瞬時過壓時的ESD保護能力。合理選擇元件構(gòu)建濾波器，如果元件選擇不當，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，實際阻值會因不同的半導(dǎo)體工藝而產(chǎn)生多達±30%的差異。但是，因為最終增益精度取決于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，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，此時相當于改變了芯片的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，由于RG1的絕對誤差最大可達±30%，因此增益誤差最大將達到±30%，由于這種誤差的引入是隨機的，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+遠遠小于RG1。

圖1：采用差分濾波器消除負載電流的“毛刺”。

圖2：采用共模濾波器改善電壓尖峰或出現(xiàn)共模過壓時的ESD保護能力。

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。

表1：MAX4173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的實驗室測試結(jié)果，用于驗證上述推論。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的計算推導(dǎo)如下：

Old Gain

＝Constant×RGD／RG1＝20（T-version MAX4173）

New Gain

＝Constant×RGD／RG1new

＝RG1＋RSERIES+

＝Old Gain×RG1／RG1new

＝20×RG1／（RG1＋RSERIES+）

Gain Error

＝（20－New Gain）／20%

＝RSERIES+／（RG1＋RSERIES+）

Min Gain Error

＝RSERIES+／（1.3×RG1 ＋RSERIES+）

Max Gain Error

＝RSERIES+／（0.7×RG1＋RSERIES+）

RG1＝6k（MAX4173）

VOS＝IBIAS2×RG2new－IBIAS1×RG1new

＝IBIAS1×（（2×RSERIES-）－RSERIES+）

IBIAS2＝2×IBIAS1

IBIAS1（min）＝0

IBIAS1（max）＝50uA（MAX4173）

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