高端電流檢測：差動放大器vs.電流檢測放大器

　　通常，只有輸入共模電壓保持在2V或3V以上時，這種架構(gòu)的電流檢測放大器才有用。不過，AD8210內(nèi)部的上拉電路能使放大器A1的輸入保持在5 V電源附近。因此，在共模電壓以及器件的5V電源電壓以下時，可以實現(xiàn)精確的差分輸入電壓測量。

　　顯而易見，雖然電流檢測放大器和差動放大器工作方式不同，卻履行同樣的功能。差動放大器將高輸入電壓衰減，使信號達到放大器可以接受的電平。電流檢測放大器將差分輸入電壓轉(zhuǎn)換為電流，然后再轉(zhuǎn)換至以地為參考的電壓；其輸入放大器因采用高壓制作工藝，能承受高共模電壓。毫無疑問，兩個架構(gòu)的不同將導(dǎo)致其性能差異，設(shè)計工程師在選擇高端電流檢測解決方案時必須考慮這些性能差異。通常，廠商的數(shù)據(jù)手冊已提供了大部分信息，可根據(jù)精度、速度、功耗及其他參數(shù)對器件的類型做出正確判斷。然后，器件架構(gòu)內(nèi)在的某些重大差異是無法在數(shù)據(jù)手冊中立刻發(fā)現(xiàn)的，但這些也是非常重要的設(shè)計考慮事宜。下面給出了一些工程師在實現(xiàn)最佳解決方案時必須考慮的關(guān)鍵點。

　　帶寬：由于輸入衰減，許多差動放大器的帶寬通常為電流檢測放大器的1/5。不過，差動放大器較窄的帶寬仍足以支持大多數(shù)應(yīng)用。例如，許多電磁閥控制應(yīng)用的工作頻率不足20kHz，而電機控制出于噪聲考慮，通常必須在20kHz以上。通常，電磁閥控制檢測平均電流，差動放大器的帶寬非常適合這種應(yīng)用。另一方面，對于電機控制來說，瞬時電流非常關(guān)鍵，尤其是測量電機相位時。因此，具有較寬帶寬的電流檢測器架構(gòu)將更真實地反映實際電機電流。

　　共模抑制（CMR）：這兩種架構(gòu)之間輸入結(jié)構(gòu)的差異還導(dǎo)致CMR性能的不同。差動放大器通常具有精密跟蹤精度高達0.01%的輸入電阻。在直流電壓時，這種匹配程度通常確保了80dB CMR。而電流檢測放大器因其晶體管輸入結(jié)構(gòu)，可以獲得更佳的匹配，因此其CMR不再取決于輸入電阻的匹配，通?？梢赃_到100dB以上，除非共模電壓較低。例如，AD8210在輸入共模電壓低于5V時，能提供的CMR值與差動放大器一樣，為80dB。在這個電壓范圍下，由于其內(nèi)部存在著上拉電路，輸入結(jié)構(gòu)具有電阻性，CMR值與0.01%精密電阻匹配性相關(guān)。在整個范圍內(nèi)，電流檢測結(jié)構(gòu)將提供更好的共模抑制。

　　外部輸入濾波影響：如果在高端電流檢測應(yīng)用中使用外部濾波，架構(gòu)影響非常大。輸入濾波器的目的是平滑輸入噪聲和電流尖峰，結(jié)構(gòu)通常如圖6所示。

                            圖6 輸入濾波器

　　差動放大器的輸入阻抗大于100kΩ。對于AD8206，Rin=200kΩ，如果使用  200Ω濾波器電阻，額外增益誤差將在  0.1%以內(nèi)。假設(shè)電阻的公差是1%，這些外部元件帶來的共模誤差將達-94dB，但可以忽略不計。

　　雖然電流檢測放大器具有高得多的共模輸入阻抗，為了將差分輸入電壓轉(zhuǎn)換為電流，其串行輸入電阻通常低于 5kΩ。對于AD8210來說，差分輸入阻抗Rin=3.5kΩ，在這種情況下，濾波電阻帶來的附加增益誤差可能高達5.4%！同時，假設(shè)外部電阻失配的最差情況，CMR能下降到59dB。對于最大整體誤差低于2%的器件性能來說，這是非常大的影響。

　　因此，在電流檢測架構(gòu)中引入輸入濾波器要非常謹(jǐn)慎。當(dāng)內(nèi)置電阻在5kΩ以下時，應(yīng)當(dāng)使用阻值低于10Ω的濾波器電阻，這將確保電流檢測放大器的原始高精度。差動放大器可采用的輸入濾波電阻阻值范圍較寬，因為其內(nèi)部的高阻值輸入電阻網(wǎng)絡(luò)受外部失配的影響較小。

　　輸入過驅(qū)動：在高端電流檢測應(yīng)用中，設(shè)計工程師必須認(rèn)真考慮可能使放大器工作在指定范圍以外的潛在事件。在典型應(yīng)用中，雖然流經(jīng)取樣電阻的負載電流僅數(shù)百毫伏，但放大器的輸入結(jié)構(gòu)不同，在輸入電壓為若干伏特的故障情況下，器件是否還能正常工作？在這種情況下，差動放大器架構(gòu)具有更強的魯棒性，一旦系統(tǒng)次序后退，更可能繼續(xù)如期地履行功能。輸入電阻網(wǎng)絡(luò)可以簡單的將電流流向接地端；在65V時，AD8206的輸入端阻抗是200kΩ，則流向接地端的電流是325μA。

　　如果使用電流檢測放大器架構(gòu)，設(shè)計人員必須考慮這種潛在問題。在第一個例子情況下，當(dāng)輸入電壓大幅擺動時，像AD8210這樣的放大器是無法正常工作的。這種類型的放大器輸入端通常包含靜電放電（ESD）保護二極管。利用大于0.7V的壓差，可以使這個二極管正偏。這個二極管的實際斷點是變化的，但大的差分電壓（如來自汽車電源），通常會給放大器帶來損害。

　　負壓保護：在許多情況下，必須保護電流檢測器免受反向電源電壓的損壞，尤其是在汽車應(yīng)用中。差動放大器的電阻橋輸入可能是重要因素。不過，設(shè)計工程師必須核對器件的絕對額定值，以確保輸入ESD二極管僅在較大負壓下導(dǎo)通。

　　不過，在這種情況下，電流檢測架構(gòu)并不是最優(yōu)的，因為輸入放大器及其相應(yīng)的輸入晶體管將直接與大的負壓相連。因為輸入信號不應(yīng)當(dāng)受大的輸入負直流電壓的影響，因此，電流檢測放大器的輸入ESD二極管通常設(shè)計成僅在指定輸入電壓范圍的低端以外導(dǎo)通。

　　除了直流負壓，這種電流檢測器還容易受到負的輸入瞬態(tài)負流的影響。在PWM系統(tǒng)中這是一種常見情況，其中電流取樣檢測器隨著內(nèi)部FET開關(guān)導(dǎo)通與關(guān)斷，其輸入共模電壓從地到電源電壓之間擺動。同樣，也必須認(rèn)真考慮最大絕對額定值，這些值主要由放大器輸入ESD二極管決定。和以前一樣，差動放大器受到高輸入電阻的保護，從本質(zhì)上講是阻止負的瞬態(tài)電流進入。因此，ESD二極管通常設(shè)計為能夠鉗位大的負電壓。但是，當(dāng)采用電流檢測架構(gòu)時，在每個短路瞬間，負瞬態(tài)電流能啟動輸入ESD保護，而通常的設(shè)計是：當(dāng)輸入電壓接近放大器輸入共模額定值時，啟動輸入ESD保護。雖然這種大小的脈沖一般不會損壞AD8210放大器ESD單元，但這方面的性能因器件不同而異。為了確保不會出現(xiàn)錯誤，在實際系統(tǒng)中應(yīng)當(dāng)對這個參數(shù)進行測試。

　　輸入偏置電流：在電源管理非常重要以及必須考慮少量泄漏的應(yīng)用中，兩種架構(gòu)中的不同輸入結(jié)構(gòu)都要求考慮輸入偏置電流。例如，在電池電流檢測系統(tǒng)中，兩個架構(gòu)都可以監(jiān)控高壓側(cè)電流。不過，當(dāng)系統(tǒng)關(guān)斷且電流檢控器的電源關(guān)斷時，雖然輸入仍然與電池相連，差動放大器(如AD8206)內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)中的固有接地線路將需要偏置電流，以持續(xù)耗盡電池電流。另一方面，由于輸入共模阻抗非常高(AD8210輸入共模阻抗>5MΩ)，采用電流檢測架構(gòu)的放大器不會耗盡電池，因為在輸入到接地的路徑中幾乎沒有電流。

　　結(jié)論

　　在汽車、電信、消費電子和工業(yè)應(yīng)用中，高壓側(cè)電流檢測是一種廣泛的需求。現(xiàn)在市場上銷售的集成高壓差動放大器和電流檢測放大器都可以實現(xiàn)這種功能。根據(jù)應(yīng)用中的精度和性能要求，系統(tǒng)工程師需要認(rèn)真考慮哪種類型的電流檢測器最適合其系統(tǒng)。

　　兩種類型的電流檢測器都可以工作，但不同架構(gòu)的優(yōu)勢卻取決于截然不同的指標(biāo)折中。對于瞬態(tài)電流監(jiān)控，寬帶寬的電流檢測放大器最適合，但差動放大器更適合監(jiān)控平均電流。此外，電流檢測放大器具有最小的輸入電源關(guān)斷偏置電流泄漏，因此非常適合對電流消耗敏感的電源管理應(yīng)用。不過，采用外部濾波器時，高壓側(cè)電流檢測放大器的輸入結(jié)構(gòu)可能限制性能并要求仔細檢查，以確保在惡劣應(yīng)用環(huán)境使用時不超過絕對輸入額定值。