美信直流誤差計算器簡(jiǎn)化檢流放大器的優(yōu)化

　　本文介紹了一種計算檢流放大器直流誤差的系統方法，對每個(gè)誤差源展開(kāi)討論，介紹了一種估算總誤差的方法。最后，文章還介紹了計算軟件的使用方法，幫助設計人員快速獲取所選檢流放大器的總誤差。

　　類(lèi)似的文章于2013年2月6日，發(fā)表在德國Elektronikpraxis雜志上。

　　概述

　　集成檢流放大器經(jīng)常用來(lái)測量電路中的電流，通過(guò)放大串聯(lián)在電流通路的采樣電阻壓降實(shí)現重要的系統功能，例如過(guò)流保護、設備監測、可編程電流源、線(xiàn)性電源和開(kāi)關(guān)電源、電池充電器和電量檢測等。由于所要求的電流檢測規格、實(shí)施方案與應用本身一樣多樣化，分析電流檢測放大器（CSA）的誤差預算是每次設計的一項基本工作。毋庸置疑，當為一個(gè)應用選擇合適的器件時(shí)，對電流檢測放大器的誤差規格和它們間的相互影響的透徹理解非常重要，有助于降低重復設計的風(fēng)險。

　　本文討論了電流檢測放大器的誤差源，介紹了一種估計總誤差預算的方法，以及如何使用Maxim設計的計算軟件。軟件采用簡(jiǎn)單的網(wǎng)頁(yè)圖形用戶(hù)界面，計算所選 Maxim CSA的總體直流誤差。并通過(guò)一個(gè)應用案例幫助讀者熟悉計算軟件的基本操作。設計提示和消息標志也會(huì )提醒您操作過(guò)程中不符合檢流規格的任何狀況。

　　檢流放大器的誤差源

　　電流檢測放大器中有幾種普遍存在的直流誤差源，下面對每種誤差源進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

　　輸入失調電壓

　　類(lèi)似于運算放大器，電流檢測放大器的輸入偏置電壓（VOS）定義為將輸出電壓驅動(dòng)到零時(shí)，作用在檢流放大器兩個(gè)輸入端的電壓。通常不直接測量失調誤差，因為單電源供電時(shí)，CSA輸出電壓不會(huì )達到輸出電壓下限（VOL）以下。因此，VOS被更準確地當作輸出電壓VOUT與采樣電壓VSENSE間傳輸特性曲線(xiàn)的線(xiàn)性部分反向延長(cháng)線(xiàn)與VSENSE軸的交點(diǎn)，圖1所示。

　　圖1. 輸出電壓與采樣電壓的對應關(guān)系確定失調電壓。

　　如果VOUT1是VSENSE = VSENSE1時(shí)測得的輸出電壓，VOUT2是VSENSE = VSENSE2時(shí)測得的輸出電壓，那么VOS可由下面的公式計算：

　　（式1）

　　CSA輸入失調電壓產(chǎn)生的輸出失調誤差如下：

　　ERRORVOS = G × VOS（式2）

　　這里G為所要求的放大器增益。

　　減小失調電壓誤差的方法是選擇一個(gè)阻值較大的檢流電阻，大阻值產(chǎn)生較高的采樣電壓，相應減小誤差預算中的失調誤差成份。需要注意的是，選擇外部RSENSE時(shí)需要在可接受的壓降、電阻功耗和CSA失調誤差之間進(jìn)行平衡。對于精密的電流檢測應用，不會(huì )采用大阻值檢流電阻，應選擇高精度CSA。

　　增益誤差

　　增益誤差定義為CSA的實(shí)際差分增益與理想差分增益的偏差比，理想增益由內部固定增益或外部電阻比設定。增益誤差可由下式確定：

　　（式3）

　　實(shí)際增益可由圖1獲得：

　　（式4）

　　增益誤差測量的是傳遞函數的實(shí)際斜率與理想斜率間的誤差百分比。

　　增益誤差引起的輸出誤差由下式確定：

　　（式5）

　　增益非線(xiàn)性

　　一個(gè)具有理想線(xiàn)性特性的CSA，其傳輸函數保持恒定斜率。相對于失調誤差和增益誤差，如果輸出擺幅在線(xiàn)性區（該區域由CSA數據手冊的輸出電壓上限、下限范圍指定），可以忽略增益的非線(xiàn)性。由此，可以在總體誤差中忽略增益非線(xiàn)性引起的誤差。

　　共模抑制比

　　共模抑制比（CMRR）測量CSA對作用在兩個(gè)輸入端的同等變化信號的抑制能力。數據手冊中的CMRR通常以輸入為參考，CMRR由下式定義：

　　（式6）

　　共模輸入電壓變化引起的最大輸出誤差可由下式得出：

　　ERRORCMRR = G × Maximum ［Abs Value （Min VCM - Data Sheet VCM）， Abs Value （Max VCM - Data Sheet VCM）］ × 10-CMRR/20（式7）

　　其中：

　　數據手冊VCM = 數據手冊中確定CSA的增益誤差和失調誤差時(shí)的共模電壓。

　　最小VCM = 施加在用戶(hù)電路中的最小共模電壓

　　最大VCM = 施加在用戶(hù)電路中的最大共模電壓

　　電源抑制比

　　電源電壓抑制比（PSRR）用于衡量CSA抑制電源（VCC）各種變化的能力。數據手冊中的PSRR通常以輸入為參考，其結果與所施加的差分信號相比較。由電源電壓變化引起的最大輸出誤差由下式確定：

　　ERRORPSRR = G × Maximum ［Abs Value （Min VDD - Data Sheet VDD）， Abs Value （Max VDD - Data Sheet VDD）］ × 10-PSRR/20（式8）

　　其中：

　　數據手冊VDD = 數據手冊中確定CSA增益誤差和失調誤差特性時(shí)的電源電壓。

　　最小VDD = 作用在用戶(hù)電路中的最小電源電壓

　　最大VDD = 作用在用戶(hù)電路中的最大電源電壓

　　檢流電阻誤差

　　由于大多數CSA采用的是外部檢流電阻，當計算總誤差時(shí)應該考慮檢流電阻的誤差。采用精密電阻可以減小這項誤差。另外，對大電流應用，為了達到較好的測量精度，建議采用4線(xiàn)開(kāi)爾文連接電阻。

　　檢流電阻誤差引起的輸出誤差：

　　（式9）

　　輸出電阻誤差

　　電流輸出型CSA，如MAX9934，通常采用一個(gè)負載電阻將輸出電流轉換成電壓。電流輸出有著(zhù)明顯優(yōu)勢：多個(gè)CSA可復用同一負載電阻；另外，如果把輸出電阻端接到ADC的地，電流輸出架構可以使CSA對地線(xiàn)干擾具有較強的抑制能力。但在計算整體誤差時(shí)必需考慮輸出電阻誤差，輸出電阻引入的誤差如下：

　　（式10）

　　這里GM = 跨導增益。

　　估算系統誤差

　　設計者常常傾向于計算最差工作條件下CSA的總誤差，這種情況下，總誤差由所有單項誤差疊加得到。盡管這種方法確保誤差在任何條件下不會(huì )超過(guò)限制，但更多情況下，它會(huì )產(chǎn)生一個(gè)過(guò)于保守、不準確的估算。最差條件下的計算方法是假設所有單項誤差源是相干的，且具有相同極性。

　　另一種方法是平方根和（RSS）分析，其中總誤差是單個(gè)誤差平方和的平方根。RSS是當增加兩個(gè)隨機分布（常態(tài)分布或高斯分布）測量時(shí)，所得標準方差等同于初始分布標準方差平方和的平方根。對于CSA，每項誤差源不相干，RSS法比最差工作條件分析法更實(shí)用。如果確保采用了每項誤差源，RSS分析將可獲得最合理的結果。

　　關(guān)于RSS，一個(gè)有趣的因素是：即使它會(huì )導致總誤差比單項誤差大，但主要誤差項經(jīng)常會(huì )遠遠超出所有其它項。

　　用RSS法對電壓輸出型CSA的總誤差進(jìn)行計算，可以得出：

　　（式11）

　　用RSS法對電流輸出型CSA的總誤差進(jìn)行計算，可以得出：

　　（式12）

　　這些計算中所有的誤差源必須參考同一節點(diǎn)，可以是輸入也可以是輸出。這一點(diǎn)非常重要，因為CSA的增益通常大于單位增益，而輸出誤差的絕對值大于輸入誤差。

　　電流檢測誤差計算器

　　Maxim設計了一個(gè)新的計算器，協(xié)助設計者估算所選CSA的總誤差。該軟件免費提供，只需用戶(hù)輸入幾個(gè)使用規格，即可自動(dòng)輸入所選CSA數據手冊的相關(guān)參數，并輸出利用RSS算法得到的最大誤差。計算器還能提示用戶(hù)粗心大意造成的數據輸入錯誤。例如，輸入采樣電壓是否超過(guò)所推薦的滿(mǎn)量程采樣電壓？電源電壓是否超出范圍？輸出擺幅限制是否滿(mǎn)足要求等等，均會(huì )給出用戶(hù)提示。

　　檢流誤差估算計算器的使用

　　假設設計一個(gè)過(guò)流保護電路，要求CSA滿(mǎn)足如下條件：

　　a.輸入觸發(fā)點(diǎn) = 50A （單向）

　　b.檢流電阻誤差 = 0.5%

　　c.檢流電阻 = 《 1mΩ

　　d.電源電壓范圍 = 4.5V - 5.5V

　　e.輸入共模電壓范圍 = 12V - 18V

　　f.總誤差預算 = 《 2%，這意味著(zhù)CSA增益誤差《 2%，失調誤差VOS 《 1mV，因為每項誤差不能超過(guò)總誤差。

　　第一步、參數搜索

　　基于上述要求，參數搜索到以下候選器件：MAX9922、MAX9918、MAX9929F、MAX4080、MAX4373和MAX4172。

　　第二步、檢流誤差計算器輸入

　　使用檢流誤差計算器，進(jìn)一步縮小上述總誤差估算列表的范圍。從Maxim器件型號下拉框（Maxim CSA Device Number）中選一個(gè)CSA，并進(jìn)入實(shí)際參數（圖2）。

　　圖2. 用戶(hù)進(jìn)入的輸入字段。

　　第三步、驗證數據手冊規格

　　計算器自動(dòng)填入所選CSA數據手冊，給出最大偏置誤差、最大增益誤差、共模抑制和電源抑制比參數。這些參數默認為T(mén) = 25 °C時(shí)的數值，如圖3所示MAX9922 CSA。

　　圖3. 計算器從所選CSA數據手冊自動(dòng)收集相關(guān)參數。

　　按下Calculate按鈕，軟件即可計算出總體誤差。

　　第四步、數據手冊參數調整

　　盡管計算器自動(dòng)導出了數據手冊給出的增益、失調誤差、增益誤差、CMRR和PSRR等數值，也可根據用戶(hù)要求靈活設置。必要時(shí)，可以用特定數值替代這些值。例如，設計者可能有一個(gè)計算規定，從軟件中移除失調電壓的影響，這種狀況下，一個(gè)不太精確的CSA或許也能滿(mǎn)足誤差預算的要求。有些情況下，設計人員或許想采用數據手冊中極限溫度下的參數進(jìn)行計算，而不是預設的T = 25°C。

　　為了替換自動(dòng)輸入的數據，使用Enter Overrides欄調整參數。參考MAX9922，按下計算按鈕，跳出如圖4所示錯誤信息。計算器提示用戶(hù)降低增益，因為輸出電壓不能夠超出器件的輸出電壓上限。

　　因為MAX9922的增益可調，在相應數據手冊調整欄中減小增益到60V/V。更新增益后，圖5給出了總誤差估算結果。

　　圖4. 器件某項條件不滿(mǎn)足時(shí)，產(chǎn)生的錯誤提示信息。

　　圖5. 所選CSA的誤差估算。

　　第五步、選擇不同的CSA

　　在Maxim CSA Device Number下拉菜單中改變選擇，即可評估其它CSA的誤差，例如MAX9918，不需要重新輸入參數。每次選定CSA后，點(diǎn)擊Calculate按鈕即可得到相應的誤差計算結果。表1列出了本例中所有備選CSA的誤差計算結果。數據表明，只有MAX9922和MAX9918的總誤差滿(mǎn)足應用要求。

　　總結

本