利用新型放大器實現(xiàn)高性能電流檢測

大多數(shù)模擬集成電路（比較器、運算放大器、儀表放大器、基準、濾波器等）都是用來處理電壓信號的。至于處理電流信號的器件，設(shè)計師們的選擇卻少得可憐，而且還要面對多得多的難題。這很不幸，因為直接監(jiān)視和測量電流有很大的優(yōu)勢。通過觀察電流流動，可以最好地監(jiān)視電動機扭矩、螺線管受力、LED 密度、太陽能電池受光量和電池電量。所需要的只是一個能準確測量電流并將電流轉(zhuǎn)換成電壓的電路，這樣就可以用很容易買到現(xiàn)有的電壓器件（放大器、比較器、ADC 等）以放大、調(diào)節(jié)和測量電壓。

圖 1：電流檢測電路概念圖

　　盡管電阻可以將電流轉(zhuǎn)換成電壓，但是只用電阻并不能組成完整的解決方案。最常見的解決方案是，用一個直接與電流串聯(lián)的檢測電阻，并用一個放大器來隔離和調(diào)節(jié)電阻上的電壓（VSENSE）。

圖 2：實際的電流檢測電路

　　組合放大器與檢測電阻

　　乍一看，將電阻與接地點串聯(lián)似乎與大多數(shù)簡單直接的電流檢測方法一樣。這種方法稱為低端電流檢測（圖 3A），要求不存在可能使電流在檢測電阻周圍被分流或可能引入鄰近電路電流的接地通路。如果機架構(gòu)成了系統(tǒng)地，那么插入這樣的檢測電阻也許是不實際的。而且，既然地線不是理想導體，那么系統(tǒng)中不同位置的地電壓可能不同，因此必須使用差分放大器才能實現(xiàn)準確測量（圖 3B）。

圖 3A：低端電流檢測拓撲

圖 3B：低端電流檢測電路

　　在進行低端電流檢測時還有更嚴重的問題。接地通路中的電阻意味著負載“地”將隨著電流的變化而變化。這可能引起系統(tǒng)共模誤差，并在與需要相同地電平的其他系統(tǒng)連接時出現(xiàn)問題。因為測量分辨率隨著 VSENSE 幅度的提高而提高，因此設(shè)計師必須以“地噪聲”換取分辨率的提高。適度的 100mV 滿標度 VSENSE 轉(zhuǎn)換成 100mV 注入地噪聲。通過在電源和負載之間放置電流檢測電阻，可以避免地電平變化問題。

　　這種方法稱為高端電流檢測。檢測電阻上的差分電壓仍然可用來直接測量電流，不過現(xiàn)在電阻上有一個非零共模電壓。這種配置的技術(shù)難題是，必須從電源共模電壓中分辨出小的差分檢測電壓（圖 4）。

圖 4：高端電流檢測

　　就低壓系統(tǒng)而言，儀表放大器或其他軌至軌差分放大器用于監(jiān)視高端檢測電阻可能足夠了。放大器的輸出必須在不增加很大誤差的情況下轉(zhuǎn)換到地電平。電源電壓很高時，也許需要將 VSENSE 轉(zhuǎn)換到放大器輸入共模范圍內(nèi)的電路，或者將放大器浮動到電源電壓的電路。這些方法除了增加電路板空間和成本，還假定共模電壓將保持在一個很窄的特定范圍內(nèi)。就大多數(shù)電流檢測應用而言，預先考慮大的共模變化非常有用。例如，如果電流檢測電路在電源電壓下降時可以工作，那么它可以指示電源或負載處是否存在問題；電流過大表明限流和負載故障，電流不足指示電源故障。另一方面，電流檢測電路可能面對超過電源電壓的共模電壓。很多電流器件，如電動機和螺線管，本質(zhì)上都是感性的，通過這些器件的電流迅速變化會引起感性反激，導致檢測電阻上出現(xiàn)大的電壓擺幅。這些例子準確說明了放大器何時最有用。(1)

　　簡單的解決方案

　　為了克服這些電流檢測難題，人們創(chuàng)造了高端電流檢測放大器。這些特殊放大器用來從高共模電壓中抽取通過小檢測電阻的電流產(chǎn)生的小差分電壓。然后，檢測電壓被放大并被轉(zhuǎn)換成以地為基準的信號。圖 5 顯示了高端電流檢測放大器的基本拓撲。在這個圖中，放大器給 RIN 加上等于 VSENSE 的電壓。然后，通過 RIN 的電流流過 ROUT，提供以地為基準的輸出電壓。就這個基本功能而言，很明顯，高端電流檢測放大器應該有高輸入阻抗、高增益和高增益準確度、以及寬共模范圍和良好的共模抑制。也許不那么明顯的是還有放大器精確度的重要性。

圖 5：基本高端電流檢測放大器