新型放大器實(shí)現高性能電流檢測

　大多數模擬集成電路（比較器、運算放大器、儀表放大器、基準、濾波器等）都是用來(lái)處理電壓信號的。至于處理電流信號的器件，設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，因為直接監視和測量電流有很大的優(yōu)勢。通過(guò)觀(guān)察電流流動(dòng)，可以最好地監視電動(dòng)機扭矩、螺線(xiàn)管受力、LED 密度、太陽(yáng)能電池受光量和電池電量。所需要的只是一個(gè)能準確測量電流并將電流轉換成電壓的電路，這樣就可以用很容易買(mǎi)到現有的電壓器件（放大器、比較器、ADC 等）以放大、調節和測量電壓。

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(jiàn)的解決方案是，用一個(gè)直接與電流串聯(lián)的檢測電阻，并用一個(gè)放大器來(lái)隔離和調節電阻上的電壓（VSENSE）。

圖 2：實(shí)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(diǎn)串聯(lián)似乎與大多數簡(jiǎn)單直接的電流檢測方法一樣。這種方法稱(chēng)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?chē)环至骰蚩赡芤豚徑娐冯娏鞯慕拥赝?。如果機架構成了系統地，那么插入這樣的檢測電阻也許是不實(shí)際的。而且，既然地線(xiàn)不是理想導體，那么系統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(jìn)行低端電流檢測時(shí)還有更嚴重的問(wèn)題。接地通路中的電阻意味著(zhù)負載“地”將隨著(zhù)電流的變化而變化。這可能引起系統共模誤差，并在與需要相同地電平的其他系統連接時(shí)出現問(wèn)題。因為測量分辨率隨著(zhù) VSENSE 幅度的提高而提高，因此設計師必須以“地噪聲”換取分辨率的提高。適度的 100mV 滿(mǎn)標度 VSENSE 轉換成 100mV 注入地噪聲。通過(guò)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(wèn)題。

　　這種方法稱(chēng)為高端電流檢測。檢測電阻上的差分電壓仍然可用來(lái)直接測量電流，不過(guò)現在電阻上有一個(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電壓（圖 4）。

圖 4：高端電流檢測

　　就低壓系統而言，儀表放大器或其他軌至軌差分放大器用于監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換到地電平。電源電壓很高時(shí)，也許需要將 VSENSE 轉換到放大器輸入共模范圍內的電路，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。就大多數電流檢測應用而言，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(shí)可以工作，那么它可以指示電源或負載處是否存在問(wèn)題；電流過(guò)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(guò)電源電壓的共模電壓。很多電流器件，如電動(dòng)機和螺線(xiàn)管，本質(zhì)上都是感性的，通過(guò)這些器件的電流迅速變化會(huì )引起感性反激，導致檢測電阻上出現大的電壓擺幅。這些例子準確說(shuō)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(lái)從高共模電壓中抽取通過(guò)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(gè)圖中，放大器給 RIN 加上等于 VSENSE 的電壓。然后，通過(guò) RIN 的電流流過(guò) ROUT，提供以地為基準的輸出電壓。就這個(gè)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