基于MAX4080檢流放大器的的失調(diào)電壓設(shè)計(jì)

　　引言

　　檢流放大器是廣泛用于電子設(shè)備實(shí)時監(jiān)測負(fù)載電流的成熟IC。系統(tǒng)控制器根據(jù)負(fù)載信息進(jìn)行電源管理運(yùn)算，以更改負(fù)載電流本身的特性，并可提供靈活的過流保護(hù)方案。

　　檢流放大器在放大微弱的差分電壓的同時能夠抑制輸入共模電壓，該功能類似于傳統(tǒng)的差分放大器，但兩者有一個關(guān)鍵區(qū)別：對于檢流放大器而言，所允許的輸入共模電壓范圍可以超出電源電壓（VCC）。例如，當(dāng)MAX4080檢流放大器工作在VCC = 5V時，能夠承受76V的輸入共模電壓。采用獨(dú)立的放大器架構(gòu)，電流檢測放大器不會受電阻不匹配造成的共模抑制（CMRR）的影響。MAX4080具有100dB （最小值）的直流CMRR，而基于傳統(tǒng)運(yùn)放的差分放大器則受CMRR限制，其有效輸入VOS通過信號鏈路是被放大。

　　通過校準(zhǔn)提高精度

　　MAX4080檢流放大器具有精密的輸入失調(diào)電壓（VOS），25°C時最大值為±0.6mV，在整個-40°C至+125°C溫度范圍內(nèi)，最大值為±1.2mV。但是，許多應(yīng)用需要更高的電流測量精度，因此需要對輸入VOS做進(jìn)一步校準(zhǔn)。這種校準(zhǔn)通過在生產(chǎn)過程中測量VOS并將結(jié)果存儲在固件中實(shí)現(xiàn)。利用所存儲的數(shù)據(jù)，當(dāng)設(shè)備在現(xiàn)場投入實(shí)際使用時，可以在數(shù)字域調(diào)整VOS。

　　為便于生產(chǎn)，校準(zhǔn)的首選方案是：在負(fù)載電流為零（零輸入差分電壓）時測量VOS?？梢詼y量輸出VOS并在以后的測量數(shù)據(jù)中減去該電壓。不幸的是這種方法存在一個缺點(diǎn)，由于VOL （最低輸出電壓）和輸入VOS相互影響，輸出電壓可能無法精確地反映輸入VOS。所有單電源供電放大器均存在這一問題。

　　以增益為20的MAX4080T為例，并假設(shè)輸入VOS為零，此時放大器輸出的測量值應(yīng)該為零。而實(shí)際情況是：即使在零輸入差分電壓下，放大器也不能保證輸出電壓低于15mV （10μA吸電流）。如果直接把測量到輸出電壓用于VOS校準(zhǔn)，放大器的輸入VOS為0.75mV （15mV/20 = 0.75mV）。

　　同樣，如果MAX4080T具有VOL = 0，則正電壓輸入VOS應(yīng)該產(chǎn)生正的輸出VOS。而負(fù)電壓輸入VOS則不會“反映到”輸出端，因?yàn)榉糯笃鞑荒墚a(chǎn)生低于地電位的輸出電壓。這樣，在零輸入差分電壓下，不能通過“直接”測量輸出電壓來校準(zhǔn)輸入VOS。

　　生產(chǎn)過程中，有兩種方法校準(zhǔn)VOS

　　雙向檢流放大器具有內(nèi)部基準(zhǔn)，例如：MAX4081具有1.5V基準(zhǔn)，能夠?qū)⑤敵鰷y量電壓偏置在1.5V，這樣，輸入差分電壓為零時，輸出為1.5V ±VOS，引入誤差。1.5V電壓高于放大器的VOL，不會影響誤差分析。可通過測量輸出電壓與1.5V理論電壓之差計(jì)算得到VOS誤差。但是，這種方法有一個缺點(diǎn)：降低了動態(tài)范圍。對于0至5V輸入動態(tài)范圍的ADC器件，動態(tài)范圍降低了30%，輸出范圍為1.5V至5V。另外，這種方法需要使用價格較高的雙向檢流放大器，用于單向測量。最后，利用一個低漂移1.5V基準(zhǔn)或額外的一個通道的目的只是為了測量該1.5V基準(zhǔn)電壓，設(shè)計(jì)人員很難接受這種方案。

　　兩點(diǎn)測量法對檢流放大器施加兩個已知的差分輸入電壓（負(fù)載電流）。首先，基于測量電壓，利用直線逼近法在圖表上外推出零檢流電壓對應(yīng)的輸入VOS。然后，利用電壓測量值進(jìn)行校準(zhǔn)。這種方法的缺點(diǎn)是：需要提供兩個“已知”的精密電流值，生產(chǎn)中很難得到這樣的電流，同時還增加了測試時間。最后，需要注意的是：對于接近零的差分輸入電壓，很難得到精確的測量值，因?yàn)樵跇O小的檢測電壓下，VOL限制會產(chǎn)生誤差。

　　利用輸入電阻調(diào)整輸入VOS

　　本應(yīng)用筆記介紹了第三種檢流放大器輸入VOS的測量方法。同樣以MAX4080為例，作用一個零輸入差分電壓，能夠抵消VOL與VOS間的相互影響—可以方便地用于生產(chǎn)線測試。

　　所有的檢流放大器都具有輸入偏置電流，必須慎重使用輸入電阻（例如，作為輸入濾波器的一部分），因?yàn)殡娮钑氩淮_定的增益和失調(diào)誤差。應(yīng)用筆記3888：“帶有輸入串聯(lián)電阻的電流檢測放大器的性能”討論了上述問題。本文采用類似技術(shù)，但特意選擇不匹配的輸入電阻，以引入額外的輸出VOS。MAX4080的偏置電流可進(jìn)行溫度補(bǔ)償，整個工作范圍內(nèi)偏置電流為5μA （典型值）和12μA （最大值）。在RS-串聯(lián)一個2kΩ電阻（圖2），以產(chǎn)生典型值和最大值分別為10mV和24mV的輸入VOS。所引入的VOS產(chǎn)生相應(yīng)的輸出失調(diào)范圍為200mV （典型值）和480mV （最大值），足以克服MAX4080 VOL和VOS的限制。輸入電阻引入的誤差VOS與溫度有關(guān)，取決于輸入電阻的溫漂特性（通常為100ppm）和偏置電流（忽略不計(jì)）。

　　在100°C溫度變化范圍內(nèi)，+100ppm電阻溫漂特性將產(chǎn)生+1%的阻值變化（即+20Ω）。這樣，輸入電阻產(chǎn)生的附加輸入VOS漂移典型值約為+0.1mV，最大值為+0.24mV （整個偏置電流變化范圍內(nèi)）。而這一溫漂值在沒有進(jìn)行校準(zhǔn)的情況下僅占輸入VOS雙向誤差（±0.6mV）的20%，在沒有校準(zhǔn)的情況下這是一個可以接受的結(jié)果。

　　進(jìn)一步減小串聯(lián)輸入電阻可減小漂移誤差。假設(shè)整個溫度范圍內(nèi)具有15mV的VOL和±1.2mV的輸入VOS，附加輸入VOS的最小值必須為1.2mV + 15mV/20 = 1.95mV ≈ 2mV。MAX4080忽略了測試放大器本身的VOS溫漂，測量到的VOS溫漂由輸入電阻和其ppm溫漂產(chǎn)生。

　　帶有輸入電阻和不帶輸入電阻情況下的溫度測試結(jié)果

　　VOS -40°C +25°C +85°C +125°C

　　No Input ResiSTors -0.015mV 0mV -0.005mV -0.01mV

　　2kΩ in Series with RS- 9.69mV 9.73mV 9.76mV 9.80mV

　　結(jié)論

　　本應(yīng)用筆記介紹了一種校準(zhǔn)輸入失調(diào)的方法，該方法通過適當(dāng)調(diào)整輸入電阻在檢流放大器MAX4080中引入一個已知的輸入VOS。設(shè)備制造商可以在生產(chǎn)過程中利用這種方法校準(zhǔn)零輸入電流下的VOS，提高實(shí)時測量精度。