利用直流误差计算器简化检流放大器的优化

发布时间：2015-1-29 10:57 发布者：designapp

摘要：本文介绍了一种计算检流放大器直流误差的系统方法，对每个误差源展开讨论，介绍了一种估算总误差的方法。最后，文章还介绍了计算软件的使用方法，帮助设计人员快速获取所选检流放大器的总误差。
概述
集成检流放大器经常用来测量电路中的电流，通过放大串联在电流通路的采样电阻压降实现重要的系统功能，例如过流保护、设备监测、可编程电流源、线性电源和开关电源、电池充电器和电量检测等。由于所要求的电流检测规格、实施方案与应用本身一样多样化，分析电流检测放大器(CSA)的误差预算是每次设计的一项基本工作。毋庸置疑，当为一个应用选择合适的器件时，对电流检测放大器的误差规格和它们间的相互影响的透彻理解非常重要，有助于降低重复设计的风险。
本文讨论了电流检测放大器的误差源，介绍了一种估计总误差预算的方法，以及如何使用Maxim设计的计算软件。软件采用简单的网页图形用户界面，计算所选Maxim CSA的总体直流误差。并通过一个应用案例帮助读者熟悉计算软件的基本操作。设计提示和消息标志也会提醒您操作过程中不符合检流规格的任何状况。
检流放大器的误差源
电流检测放大器中有几种普遍存在的直流误差源，下面对每种误差源进行简要分析。

输入失调电压
类似于运算放大器，电流检测放大器的输入偏置电压(VOS)定义为将输出电压驱动到零时，作用在检流放大器两个输入端的电压。
通常不直接测量失调误差，因为单电源供电时，CSA输出电压不会达到输出电压下限(VOL)以下。因此，VOS被更准确地当作输出电压VOUT与采样电压VSENSE间传输特性曲线的线性部分反向延长线与VSENSE轴的交点，如图1所示。

图1. 输出电压与采样电压的对应关系确定失调电压。

如果VOUT1是VSENSE = VSENSE1时测得的输出电压，VOUT2是VSENSE = VSENSE2时测得的输出电压，那么VOS可由下面的公式计算：

(Eq.1)

CSA输入失调电压产生的输出失调误差如下：
ERRORVOS = G × VOS (Eq.2)
这里G为所要求的放大器增益。
减小失调电压误差的方法是选择一个阻值较大的检流电阻，大阻值产生较高的采样电压，相应减小误差预算中的失调误差成份。需要注意的是，选择外部RSENSE时需要在可接受的压降、电阻功耗和CSA失调误差之间进行平衡。对于精密的电流检测应用，不会采用大阻值检流电阻，应选择高精度CSA。

增益误差
增益误差定义为CSA的实际差分增益与理想差分增益的偏差比，理想增益由内部固定增益或外部电阻比设定。增益误差可由下式确定：

(Eq.3)

实际增益可由图1获得：

(Eq.4)

增益误差测量的是传递函数的实际斜率与理想斜率间的误差百分比。
增益误差引起的输出误差由下式确定：

(Eq.5)

增益非线性
一个具有理想线性特性的CSA，其传输函数保持恒定斜率。相对于失调误差和增益误差，如果输出摆幅在线性区（该区域由CSA数据手册的输出电压上限、下限范围指定），可以忽略增益的非线性。由此，可以在总体误差中忽略增益非线性引起的误差。
共模抑制比
共模抑制比（CMRR）测量CSA对作用在两个输入端的同等变化信号的抑制能力。数据手册中的CMRR通常以输入为参考，CMRR由下式定义：

(Eq.6)

共模输入电压变化引起的最大输出误差可由下式得出：
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 = 数据手册中确定CSA的增益误差和失调误差时的共模电压。
Min VCM = 施加在用户电路中的最小共模电压
Max VCM = 施加在用户电路中的最大共模电压

电源抑制比
电源电压抑制比(PSRR)用于衡量CSA抑制电源（VCC）各种变化的能力。数据手册中的PSRR通常以输入为参考，其结果与所施加的差分信号相比较。由电源电压变化引起的最大输出误差由下式确定：
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 =数据手册中确定CSA增益误差和失调误差特性时的电源电压。
Min VDD = 作用在用户电路中的最小电源电压
Max VDD =作用在用户电路中的最大电源电压

检流电阻误差
由于大多数CSA采用的是外部检流电阻，当计算总误差时应该考虑检流电阻的误差。采用精密电阻可以减小这项误差。另外，对大电流应用，为了达到较好的测量精度，建议采用4线开尔文连接电阻。
检流电阻误差引起的输出误差：

(Eq.9)

输出电阻误差
电流输出型CSA，如MAX9934，通常采用一个负载电阻将输出电流转换成电压。电流输出有着明显优势：多个CSA可复用同一负载电阻；另外，如果把输出电阻端接到ADC的地，电流输出架构可以使CSA对地线干扰具有较强的抑制能力。但在计算整体误差时必需考虑输出电阻误差，输出电阻引入的误差如下：

(Eq.10)

这里GM =跨导增益。

第四步.数据手册参数调整
尽管计算器自动导出了数据手册给出的增益、失调误差、增益误差、CMRR和PSRR等数值，也可根据用户要求灵活设置。必要时，可以用特定数值替代这些值。例如，设计者可能有一个计算规定，从软件中移除失调电压的影响，这种状况下，一个不太精确的CSA或许也能满足误差预算的要求。有些情况下，设计人员或许想采用数据手册中极限温度下的参数进行计算。
为了替换自动输入的数据，使用Enter Overrides栏调整参数。参考MAX9922，按下计算按钮，跳出如图4所示错误信息。计算器提示用户降低增益，因为输出电压不能够超出器件的输出电压上限。因为MAX9922的增益可调，在相应数据手册调整栏中减小增益到60V/V。更新增益后，图5给出了总误差估算结果。

图4. 器件某项条件不满足时，产生的错误提示信息。

图5. 所选CSA的误差估算。

第五步.选择不同的CSA
在Maxim CSA Device Number下拉菜单中改变选择，即可评估其它CSA的误差，例如MAX9918，不需要重新输入参数。每次选定CSA后，点击Calculate按钮即可得到相应的误差计算结果。表1列出了本例中所有备选CSA的误差计算结果。数据表明，只有MAX9922和MAX9918的总误差满足应用要求。
总结
本文介绍了一种检流误差计算器，利用快捷、强大的检流放大器选型工具，可以方便地获得误差计算结果。本文讨论了了解检流放大器误差参数的重要性。这些背景知识和计算器都将协助设计人员选择合适的CSA。RSS误差分析法是构建计算器的基础，可以扩展到多种元件或电路系统级精度的计算。

利用直流误差计算器简化检流放大器的优化

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