了解电阻电流检测中的放大器失调电压和输出摆幅

2021-08-25

了解电阻电流检测中的放大器失调电压和输出摆幅

我们讨论了基于运算放大器的放大器以及专用电流检测放大器可用于提高电流检测电阻两端的电压。这些放大级并不理想，可能会在我们的测量中引入误差。

在本文中，我们将讨论放大器输入失调电压如何影响我们的测量精度。我们还将看到，在择分流电阻值时，放大器输出摆幅可能是一个关键因素。 

输入失调电压

理想情况下，当差分放大器的两个输入完全处于相同电位时，差分放大器的输出应为零伏。然而，实际上，当输入之间的电压差很小时，输出会变为零伏。这种不理想源于放大器内部组件之间的固有不匹配。

必须在放大器的输入端子之间施加以使其输出电压为零伏特的电压称为输入失调电压。为了模拟这种非理想效应，我们可以将一个电压源与放大器输入之一串联，并假设放大器是理想的并且具有零偏移电压。如图 1 所示。

图 1 

在图 1 中，灰色框内的电路代表集成电流检测放大器。由于偏移电压是由外部电压源 V offset建模的，因此假设灰色框内的电路具有 0V 的偏移电压，即 V A = V B 我们有 V out = 0。 偏移电压的极性可以是正的也可以是负的。  

放大器失调电压的误差

考虑图 2 所示的高端电流检测图。

图2
放大器实际上检测节点 A 和 B 之间的电压。假设放大器的差分增益为 A d，我们有： 

Vout=Ad(VA−VB)=Ad(Voffset+Vshunt)

如果 V offset与 V shunt相当，则误差可能很大。例如，当 V offset  = V shunt 时，误差为 100%，计算如下： 

Percentage Error=(Vsensed−Vshunt)/Vshunt×100%=[(Voffset+Vshunt)−Vshunt]/Vshunt×100%=100%

当 V shunt最小时，误差最大。因此，为了从偏移电压中找出最坏情况下的误差，我们应该考虑负载电流 I load的最小值。

我们怎样才能减少这个错误？

对于给定的负载电流范围，我们可以增加分流电阻值以获得更大的 V分流和/或使用具有较小偏移电压的放大器。

但是，应该注意的是，增加分流电阻值会增加电阻消耗的功率。此外，更高瓦数的电阻器更昂贵并且需要更大的电路板面积。 

确定分流电阻的值

如上所述，在测量范围低端的精度和分流电阻器消耗的功率之间存在折衷。通过选择一个大的分流电阻器可以最大限度地提高精度。

但是，在大电流精密应用中，电流检测电阻器消耗的功率会限制可以使用的最大电阻器值。在这种情况下，我们可以根据 R shunt的最大允许功耗选择其最大值。如果为分流电阻预算的最大功耗为 P max，则最大分流值可以通过以下公式计算： 

Rshunt≤Pmax/I2load, max

等式 1 

我们还可以通过考虑负轨的输出摆幅来找到 R分流器的下限。如果 V out, min 是保证放大器处于其线性工作区域的最小输出电压，我们可以找到 R shunt的最小值为：

Rshunt≥Vout, min/Iload, minAd

等式 2

分流电阻值计算示例

假设我们需要监控 40 mA 和 1 A 之间的负载电流。放大器的增益为 50，V out，max = 4.9 V，V out，min  = 100 mV。假设应用程序没有限制分流电阻器消耗的功率，我们需要什么值的 R shunt？ 

为了最小化放大器失调电压的误差，我们应该选择 R shunt的最大值。应用等式 1，我们得到： 

Rshunt≤Vout, max/Iload, maxAd=4.91/50=98 mΩ

使用等式 2，我们可以找到 Rshunt 的最小值为：

Rshunt≥Vout, min/Iload, minAd=0.1/(0.04×50)=50 mΩ

应选择此范围内的最大标准值以最小化偏移误差。选择适当的 Rshunt 值后，我们可以通过应用以下等式来评估偏移误差：

Percentage Error=[(Voffset+Vshunt)−Vshunt]/Vshunt×100%=Voffset/(Rshunt×Iload, min)×100%

为了将误差降低到所需水平，我们需要选择输入失调电压足够低的放大器。

我想把你的注意力吸引到这里的一个微妙点上。考虑到放大器的输出摆幅限制，失调电压定义是否存在矛盾？

失调电压定义为必须施加在放大器输入端子之间以使其输出电压为零伏的差分电压；然而，单电源放大器的输出不能真正摆动到地电位。

在测量非常小的电流时，这些细节可能很重要。  

确定单电源放大器的失调电压

如上所述，当放大器的负轨接地时，其输出只能接近地电位。如图 3 所示。

图 3 

在该图中，蓝色曲线显示放大器输出与施加到输入的差分电压的关系。

对于非常小的差分输入值，输出电压达到 V out, min。由于输出不会低于 V out, min，我们无法直接测量 V offset。

相反，我们可以在线性工作区域中将一条线拟合到传递函数曲线，并将这条线与水平轴的交点视为放大器的输入偏移电压。你可以想象，如果放大器是理想的，虚线将穿过原点。

我们现在可以找到虚线的方程并确定偏移电压。如果 当输入分别为 V diff1 和 V diff2时输出为 V out1 和 V out2，我们可以找到 V offset为：

Voffset=Vdiff1−(Vdiff2−Vdiff1)/(Vout2−Vout1)×Vout1

我们可以使用单电源放大器来测量非常小的电流吗？

由于放大器的输出摆幅限制，使用单电源放大器测量接近零的负载电流可能会引入不可接受的误差。如图 4 所示。

图 4

为了避免这个问题，德州仪器 (TI)的参考设计“ 0-1A、单电源、低侧、电流检测解决方案参考设计”使用LM7705反相电荷泵为放大器的负电源轨生成 -0.23V 电源. 此参考设计基于分立解决方案，该解决方案使用运算放大器和外部增益设置电阻器，如图 5 所示。

图 5

根据上述参考资料，负电源必须至少比系统接地低 100 mV，以确保放大器呈现低至 0 V 的线性输出。

另一种能够测量小电流的技术如图 6 所示。

图 6

在这种情况下，V ref用于将直流值添加到输出电压。传递函数将变为：

Vout=Ad(VA−VB)+Vref

该技术还可用于通过单电源放大器检测双向负载电流（正负载电流和负负载电流）。根据所需的电流范围，应选择合适的 V ref值。