高端电流检测放大器性能分析

在讨论器件功能时，检流放大器可以看作一个输入级浮空的仪表/差分放大器。这意味着即使器件采用VCC=3.3V或5V单电源供电，在输入共模电压远高于电源电压的条件下，器件仍然能够正常放大差分输入信号。检流放大器的共模电压可以很高，例如可以高达28V(MAX4372和MAX4173)或76V(MAX4080和MAX4081)。  

检流放大器的这一特性使其非常适合高端电流检测应用，这类应用往往需要对高压侧检流电阻两端的微小电压进行放大，并馈入到低压ADC或低压模拟控制环路进行处理。这种情况下，通常需要在信号源端(例如检流电阻两端)对电流检测信号进行滤波。可以采用差分滤波器(图1)滤除负载电流和检流电压的“毛刺”，也可以采用共模滤波器(图2)以增强在出现共模电压尖峰或瞬时过压时的ESD保护能力。合理选择元件构建滤波器，如果元件选择不当，则会引入一些无法预知的失调电压和增益误差，降低电路性能。  

滤波器的选择  

MAX4173检流放大器如图3所示，该器件的检流电阻可直接连接到芯片的RS+和RS-端。器件内部的运算放大器将检流电阻两端的差分电压恢复成RG1两端的差分电压，即ILOAD×RSENSE=VSENSE=IRG1×RG1。然后，内部电流镜对电流IRG1进行电平转换和放大，产生输出电流IRGD。MAX4173的内部电路中RGD=12kΩ，而RG1=6kΩ。  

因此，



由于RGD和RG1为片上电阻，实际阻值会因不同的半导体工艺而产生多达±30%的差异。但是，因为最终增益精度取决于RGD和RG1的比例，所以可以很好地控制增益，并在生产过程中灵活调整。  

构建差分/共模滤波器(如图1和图2所示)时，需要在检流电阻的RSENSE+和RSENSE-端与器件的RS+和RS-引脚之间接入串联电阻，此时相当于改变了芯片的RG1和RG2。由上面的等式可知，改变后的RG1将引入增益误差。同时，由于RG1的绝对误差最大可达±30%，因此增益误差最大将达到±30%，由于这种误差的引入是随机的，所以无法控制或估算误差。由此可见，控制增益误差的唯一办法是保证输入串联电阻RSENSE+远远小于RG1。  


图1：采用差分滤波器消除负载电流的“毛刺”。  



图2：采用共模滤波器改善电压尖峰或出现共模过压时的ESD保护能力。  



图3：MAX4173的内部功能框图。  

另外，由于输入偏置电流的存在，电阻RG1和RG2之间的不匹配将会引入输入失调电压。根据MAX4173和MAX4372的数据资料，偏置IRS-等于两倍的IRS+，因此与RG1串联的电阻RSERIES+应等于与RG2串联的电阻RSERIES-的两倍，以消除输入失调电压。  

综上所述，只有在满足以下条件的情况下，在RS+和RS-引脚之间接入串联电阻后所构成的滤波器可以获得最佳性能：  

1. RSENSE+与RS+之间的串联电阻远小于RG1；  

2. RSENSE+与RS+之间的串联电阻应等于RSENSE-与RS-之间的串联电阻的两倍。  

注意，由于RSERIES+等于RSERIES-的两倍，应相应增大共模滤波器的电容，以满足交流和瞬态性能的要求。  

　
表1：MAX4173串联电阻的测试结果。  



表2：MAX4372串联电阻的测试结果。  

表1给出了MAX4173T的实验室测试结果，用于验证上述推论。VOS的最小值和最大值可由数据资料给出的偏置电流的最小值和最大值推算，取RG1=6kΩ±30%用于计算最小值和最大增益误差。同样，表2给出MAX7372F的测试结果(RG1=100kΩ)。最小、最大增益误差以及最小-最大VOS的计算推导如下：  

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)