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。

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R(S+)和R(S-)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) × R(SENSE) = V(SENSE) = I(RG1) × 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) × I(RGD) = R(GD) × 增益 × I(RG1) = R(GD) × 增益 × 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。

然而，当检测电阻的R(SENSE+)和R(SENSE-)端，与器件的R(S+)和R(S-)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R(G1)和R(G2)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-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R(G1)，R(SENSE+)和R(S+)之间的串联电阻应保持足够小。

2. R(SENSE+)和R(S+)之间的串联电阻应是R(SENSE-)和R(S-)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 × R(GD)/R(G1)= 20 (T版MAX4173)

新增益

= 常数 × R(GD)/R(G1new); R(G1new) = R(G1) + R(SERIES+)
= 原增益 × R(G1)/R(G1new)
= 20 × 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 × R(G1) + R(SERIES+))

最大增益误差

= R(SERIES+)/(0.7 × R(G1) + R(SERIES+))

R(G1) = 6k (MAX4173)

V(OS) = I(BIAS2) × R(G2new) - I(BIAS1) × R(G1new)

= I(BIAS1) × ((2 × R(SERIES-)) - R(SERIES+)); 其中I(BIAS2) = 2 × I(BIAS1)

I(BIAS1)(最小值) = 0
I(BIAS1)(最大值) = 50µA (MAX4173)

类似文章发表于2006年9月26日的Planet  网站。