|
摘要：本文介紹了一種計算檢流放大器直流誤差的系統方法，對每個誤差源展開討論，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。 概述 集成檢流放大器經常用來測量電路中的電流，通過放大串聯在電流通路的采樣電阻壓降實現重要的系統功能，例如過流保護、設備監測、可編程電流源、線性電源和開關電源、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，當為一個應用選擇合適的器件時，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。軟件采用簡單的網頁圖形用戶界面，計算所選Maxim CSA的總體直流誤差。并通過一個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提醒您操作過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行簡要分析。 輸入失調電壓 類似于運算放大器，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到零時，作用在檢流放大器兩個輸入端的電壓。 通常不直接測量失調誤差，因為單電源供電時，CSA輸出電壓不會達到輸出電壓下限(VOL)以下。因此，VOS被更準確地當作輸出電壓VOUT與采樣電壓VSENSE間傳輸特性曲線的線性部分反向延長線與VSENSE軸的交點，如圖1所示。 圖1. 輸出電壓與采樣電壓的對應關系確定失調電壓。 如果VOUT1是VSENSE = VSENSE1時測得的輸出電壓，VOUT2是VSENSE = VSENSE2時測得的輸出電壓，那么VOS可由下面的公式計算： (Eq.1) CSA輸入失調電壓產生的輸出失調誤差如下： ERRORVOS = G × VOS (Eq.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阻值較大的檢流電阻，大阻值產生較高的采樣電壓，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時需要在可接受的壓降、電阻功耗和CSA失調誤差之間進行平衡。對于精密的電流檢測應用，不會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： (Eq.3) 實際增益可由圖1獲得： (Eq.4) 增益誤差測量的是傳遞函數的實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： (Eq.5) 增益非線性 一個具有理想線性特性的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性。由此，可以在總體誤差中忽略增益非線性引起的誤差。 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： (Eq.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 (Eq.7) 其中： Data sheet VCM = 數據手冊中確定CSA的增益誤差和失調誤差時的共模電壓。 Min VCM = 施加在用戶電路中的最小共模電壓 Max VCM = 施加在用戶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 (Eq.8) 其中： Data sheet VDD =數據手冊中確定CSA增益誤差和失調誤差特性時的電源電壓。 Min VDD = 作用在用戶電路中的最小電源電壓 Max VDD =作用在用戶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線開爾文連接電阻。 檢流電阻誤差引起的輸出誤差： (Eq.9) 輸出電阻誤差 電流輸出型CSA，如MAX9934，通常采用一個負載電阻將輸出電流轉換成電壓。電流輸出有著明顯優勢：多個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對地線干擾具有較強的抑制能力。但在計算整體誤差時必需考慮輸出電阻誤差，輸出電阻引入的誤差如下： (Eq.10) 這里GM =跨導增益。 第四步.數據手冊參數調整 盡管計算器自動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，也可根據用戶要求靈活設置。必要時，可以用特定數值替代這些值。例如，設計者可能有一個計算規定，從軟件中移除失調電壓的影響，這種狀況下，一個不太精確的CSA或許也能滿足誤差預算的要求。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行計算。 為了替換自動輸入的數據，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. 器件某項條件不滿足時，產生的錯誤提示信息。 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的總誤差滿足應用要求。 總結 本文介紹了一種檢流誤差計算器，利用快捷、強大的檢流放大器選型工具，可以方便地獲得誤差計算結果。本文討論了了解檢流放大器誤差參數的重要性。這些背景知識和計算器都將協助設計人員選擇合適的CSA。RSS誤差分析法是構建計算器的基礎，可以擴展到多種元件或電路系統級精度的計算。 |
