【導(dǎo)讀】一個(gè)分立放大器連同一些外部增益設(shè)置電阻可用于增加電流檢測電阻兩端的電壓。盡管此類分立解決方案具有成本效益，但由于外部組件的匹配有限，它們無法提供高精度。嘗試使用高精度電阻網(wǎng)絡(luò)可能會抵消使用簡單分立解決方案可能帶來的成本節(jié)約。
一個(gè)分立放大器連同一些外部增益設(shè)置電阻可用于增加電流檢測電阻兩端的電壓。盡管此類分立解決方案具有成本效益，但由于外部組件的匹配有限，它們無法提供高精度。嘗試使用高精度電阻網(wǎng)絡(luò)可能會抵消使用簡單分立解決方案可能帶來的成本節(jié)約。
電阻式電流檢測的分立實(shí)現(xiàn)
在之前的文章中，我們討論了基于運(yùn)算放大器的非反相配置可用于感測和增加低側(cè)電流感測電阻器兩端的電壓。同相配置具有單端輸入并檢測其相對于地的輸入電壓。這就是為什么我們不能在高側(cè)傳感配置中使用該放大器的原因。
另一方面，經(jīng)典差分放大器具有差分輸入。由于它感測分流電阻器兩端的壓降而不是節(jié)點(diǎn)相對于地的電壓，因此它可用于低側(cè)和高側(cè)電流感測應(yīng)用，如圖 1 所示。
在本文中，我們將討論使用差分放大器時(shí)可能影響精度的兩個(gè)重要誤差源。
圖 1.在 (a) 低側(cè)和 (b) 高側(cè)電流檢測中使用差分放大器。
共模抑制比：一個(gè)關(guān)鍵特性
共模抑制比是差分輸入放大器抑制兩個(gè)輸入共有信號的能力。放大器的傳遞函數(shù)可以表示為：
vout=Admvd+Acmvcvout=Admvd+Acmvc
等式 1。
其中AdmAdm和vdvd分別是放大器的差模增益和放大器輸入端的差分信號。類似地，AcmAcm 和 vcvc 是共模增益和施加到放大器的共模信號。根據(jù)等式 1，出現(xiàn)在放大器輸出端的電壓是輸入共模值的函數(shù)。在圖 1(b)中，我們理想地期望輸出是差分信號 V shunt的函數(shù)。然而，實(shí)際上，輸出也是電源電壓V supply的函數(shù)。
當(dāng)我們改變 V supply時(shí)，放大器輸入端的共模信號會隨之改變，放大器的輸出電壓也會隨之改變。即使我們保持 V shunt不變，也會發(fā)生這種情況。為了減少這種非理想效應(yīng)，我們需要使共模增益 A cm遠(yuǎn)小于差模增益 A dm。共模抑制比 (CMRR) 定義為差分增益除以共模增益，指定放大器在放大差分信號的同時(shí)抑制共模信號的能力。
分立實(shí)施具有低 CMRR
考慮圖 2中所示的差分放大器。
圖 2
對于理想的運(yùn)算放大器，差分放大器的傳遞函數(shù)由下式給出：
v ü t = R 4 R 1 _× R 1 + R 2 R 3 + R 4× v A ? R 2 R 1× v Bvo你噸=R4個(gè)R1個(gè)×R1個(gè)+R2個(gè)R3個(gè)+R4個(gè)×vA?R2個(gè)R1個(gè)×v乙
對于 (frac{R_{2}}{R_{1}}=frac{R_{4}}{R_{3}})，我們有：回復(fù)2回復(fù)1= R 4 R 3R2個(gè)R1個(gè)=R4個(gè)R3個(gè)
v ü t = R 2 R 1 _( v A ? v B )vo你噸=R2個(gè)R1個(gè)(vA?v乙)
等式 2。
該等式表明，任何共模電壓都會被放大器完全抑制，即 (v_{A}=v_{B})，我們有 (v_{out}=0)。然而，在實(shí)踐中，差分放大器的共模抑制將受到限制，因?yàn)楸嚷?(frac{R_{2}}{R_{1}}) 不會完全等于 (frac{R_ {4}}{R_{3}})?？梢钥闯觯罘址糯笃鞯?CMRR 由下式給出：v A = v BvA=v乙v ü t =0 _vo你噸=0回復(fù)2回復(fù)1R2個(gè)R1個(gè)R 4 R 3R4個(gè)R3個(gè)
C M R R ? A d + 1 4 tC米RR?Ad+1個(gè)4個(gè)噸
等式 3。
其中 (A_gwaqcga) 是差分放大器的差分增益，等于 (frac{R_{2}}{R_{1}})；t 是電阻容差。例如，對于 1 和 0.1% 電阻的差分增益，我們有：廣告_Ad回復(fù)2回復(fù)1R2個(gè)R1個(gè)
C M R R ? A d + 1 4 t= 1 + 1 4 × 0.001= 500C米RR?Ad+1個(gè)4個(gè)噸=1個(gè)+1個(gè)4個(gè)×0.001=500
以 dB 表示該值，我們得到大約 54 dB 的 CMRR。請注意，公式 3是基于運(yùn)算放大器是理想的并且具有非常高的 CMRR 的假設(shè)得出的。如果運(yùn)算放大器的 CMRR 不比從公式 3 中獲得的值大很多，我們將需要使用更復(fù)雜的公式。
集成解決方案可帶來高 CMRR
因此，即使使用理想的運(yùn)算放大器，差分放大器的 CMRR 也相對較低，并且受限于增益設(shè)置電阻的匹配。為了解決這個(gè)問題，我們可以使用一系列匹配電阻網(wǎng)絡(luò)，例如LT5400。LT5400 是一個(gè)具有 0.005% 出色匹配的四路電阻器網(wǎng)絡(luò)，可用于創(chuàng)建具有高 CMRR 的差動放大器，如圖3所示。使用匹配電阻網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)該可以實(shí)現(xiàn)大約 80 dB 的 CMRR。
圖 3.電阻器陣列可用于創(chuàng)建具有非常高 CMRR 的差動放大器。圖片由凌力爾特提供
分立放大器和一些外部增益設(shè)置電阻器可被視為低成本電流測量解決方案。然而，如您所見，增益設(shè)置電阻器的匹配決定了放大器的 CMRR。嘗試使用單獨(dú)的高精度電阻網(wǎng)絡(luò)可能會抵消使用簡單差分放大器可能帶來的成本節(jié)省。
我們可以使用完全單片解決方案，例如Analog Devices 的AMP03 ，而不是將精密運(yùn)算放大器與單獨(dú)的電阻網(wǎng)絡(luò)一起使用，它將激光調(diào)整電阻器集成到精密運(yùn)算放大器封裝中，以實(shí)現(xiàn)電阻器之間的高度匹配. 這種集成解決方案可以獲得大于 100 dB 的 CMRR。
另一個(gè)誤差源：增益設(shè)置電阻器的溫度漂移
增益設(shè)置電阻器的溫度漂移是影響測量精度的另一個(gè)因素。如上所述，增益設(shè)置電阻器的容差決定了放大器在室溫下的初始精度。然而，為了使電阻比率恒定，電阻器在工作溫度范圍內(nèi)應(yīng)表現(xiàn)出相似的行為。
為了更好地理解溫度漂移如何產(chǎn)生增益誤差，我們來看一個(gè)例子。假設(shè)公式 2中的電阻器值為R1=5 kΩ 和 R2=100 kΩ。此外，假設(shè)電阻器的溫度系數(shù)為 ±50 ppm/°C，并且環(huán)境溫度可以比參考溫度（室溫）高 100°C。
微分增益 (frac{R_{2}}{R_{1}}) 的值和值是多少？回復(fù)2回復(fù)1R2個(gè)R1個(gè)
高于參考溫度 100 °C 的溫升會使 ±50 ppm/°C 電阻器的值改變 ±0.5 %。因此，微分增益由下式給出：
A d m , m a x = R 2 , m a x R 1 , m i n= 100 × ( 1 + 0.005 ) 5 × ( 1 ? 0.005 )= 20.20Ad米,米AX=R2個(gè),米AXR1個(gè),米我n=100×(1個(gè)+0.005)5個(gè)×(1個(gè)?0.005)=20.20
增益通過以下方式獲得：
A d m , m a x = R 2 , m i n R 1 , m a x= 100 × ( 1 ? 0.005 ) 5 × ( 1 + 0.005 )= 19.80Ad米,米AX=R2個(gè),米我nR1個(gè),米AX=100×(1個(gè)?0.005)5個(gè)×(1個(gè)+0.005)=19.80
請注意，電阻器可能會朝相反的方向漂移。在此示例中，1% 的增益誤差僅由漂移效應(yīng)引起，因?yàn)槲覀兗僭O(shè)電阻器在室溫下具有標(biāo)稱值。
有趣的是，借助LT5400等匹配電阻器網(wǎng)絡(luò)或完全單片式電流檢測解決方案，集成電阻器可以表現(xiàn)出初始誤差和溫度漂移近乎完美的匹配。這在圖 5中進(jìn)行了說明。
圖 5.圖片由Vishay提供
在此圖中，橙色線指定單個(gè) ±50 ppm/°C 電阻值隨參考溫度 (20°C) 在任一方向上的溫度變化而變化的限值。紅色曲線表示匹配電阻陣列中四個(gè)集成電阻的溫度特性。
雖然匹配電阻網(wǎng)絡(luò)中的單個(gè)電阻可以表現(xiàn)出 ±50 ppm/°C 的溫度系數(shù)，但四個(gè)集成電阻的溫度行為非常匹配。隨著溫度的變化，電阻值相互跟蹤。這些匹配的電阻器使我們能夠在工作溫度范圍內(nèi)保持放大器增益相對恒定。
結(jié)論
一個(gè)分立放大器連同一些外部增益設(shè)置電阻可用于增加電流檢測電阻兩端的電壓。盡管此類分立解決方案具有成本效益，但由于外部組件的匹配有限，它們無法提供高精度。
增益設(shè)置電阻器的匹配決定了放大器的 CMRR。要獲得高 CMRR，需要初始誤差和電阻器的溫度漂移近乎完美的匹配。這就是為什么集成解決方案可以在 CMRR 方面輕松擊敗分立實(shí)施方案的原因。請注意，嘗試使用單獨(dú)的高精度電阻網(wǎng)絡(luò)可能會抵消使用簡單的分立解決方案可能帶來的成本節(jié)省。
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