新型放大器實(shí)現(xiàn)高性能電流檢測(cè)

　大多數(shù)模擬集成電路（比較器、運(yùn)算放大器、儀表放大器、基準(zhǔn)、濾波器等）都是用來處理電壓信號(hào)的。至于處理電流信號(hào)的器件，設(shè)計(jì)師們的選擇卻少得可憐，而且還要面對(duì)多得多的難題。這很不幸，因?yàn)橹苯颖O(jiān)視和測(cè)量電流有很大的優(yōu)勢(shì)。通過觀察電流流動(dòng)，可以最好地監(jiān)視電動(dòng)機(jī)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(gè)能準(zhǔn)確測(cè)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(cè)量電壓。

圖 1：電流檢測(cè)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(gè)直接與電流串聯(lián)的檢測(cè)電阻，并用一個(gè)放大器來隔離和調(diào)節(jié)電阻上的電壓（VSENSE）。

圖 2：實(shí)際的電流檢測(cè)電路

　　組合放大器與檢測(cè)電阻

　　乍一看，將電阻與接地點(diǎn)串聯(lián)似乎與大多數(shù)簡(jiǎn)單直接的電流檢測(cè)方法一樣。這種方法稱為低端電流檢測(cè)（圖 3A），要求不存在可能使電流在檢測(cè)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(jī)架構(gòu)成了系統(tǒng)地，那么插入這樣的檢測(cè)電阻也許是不實(shí)際的。而且，既然地線不是理想導(dǎo)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(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量（圖 3B）。

圖 3A：低端電流檢測(cè)拓?fù)?/p>

圖 3B：低端電流檢測(cè)電路

　　在進(jìn)行低端電流檢測(cè)時(shí)還有更嚴(yán)重的問題。接地通路中的電阻意味著負(fù)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(shí)出現(xiàn)問題。因?yàn)闇y(cè)量分辨率隨著 VSENSE 幅度的提高而提高，因此設(shè)計(jì)師必須以“地噪聲”換取分辨率的提高。適度的 100mV 滿標(biāo)度 VSENSE 轉(zhuǎn)換成 100mV 注入地噪聲。通過在電源和負(fù)載之間放置電流檢測(cè)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(cè)。檢測(cè)電阻上的差分電壓仍然可用來直接測(cè)量電流，不過現(xiàn)在電阻上有一個(gè)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(cè)電壓（圖 4）。

圖 4：高端電流檢測(cè)

　　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(cè)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(shí)，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(dòng)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(gè)很窄的特定范圍內(nèi)。就大多數(shù)電流檢測(cè)應(yīng)用而言，預(yù)先考慮大的共模變化非常有用。例如，如果電流檢測(cè)電路在電源電壓下降時(shí)可以工作，那么它可以指示電源或負(fù)載處是否存在問題；電流過大表明限流和負(fù)載故障，電流不足指示電源故障。另一方面，電流檢測(cè)電路可能面對(duì)超過電源電壓的共模電壓。很多電流器件，如電動(dòng)機(jī)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(huì)引起感性反激，導(dǎo)致檢測(cè)電阻上出現(xiàn)大的電壓擺幅。這些例子準(zhǔn)確說明了放大器何時(shí)最有用。(1)

　　簡(jiǎn)單的解決方案

　　為了克服這些電流檢測(cè)難題，人們創(chuàng)造了高端電流檢測(cè)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(cè)電阻的電流產(chǎn)生的小差分電壓。然后，檢測(cè)電壓被放大并被轉(zhuǎn)換成以地為基準(zhǔn)的信號(hào)。圖 5 顯示了高端電流檢測(cè)放大器的基本拓?fù)洹Ｔ谶@個(gè)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(zhǔn)的輸出電壓。就這個(gè)基本功能而言，很明顯，高端電流檢測(cè)放大器應(yīng)該有高輸入阻抗、高增益和高增益準(zhǔn)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(cè)放大器