美信直流誤差計算器簡化檢流放大器的優(yōu)化

　　本文介紹了一種計算檢流放大器直流誤差的系統(tǒng)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(shè)計人員快速獲取所選檢流放大器的總誤差。

　　類似的文章于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)常用來測量電路中的電流，通過放大串聯(lián)在電流通路的采樣電阻壓降實現(xiàn)重要的系統(tǒng)功能，例如過流保護(hù)、設(shè)備監(jiān)測、可編程電流源、線性電源和開關(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(guī)格、實施方案與應(yīng)用本身一樣多樣化，分析電流檢測放大器（CSA）的誤差預(yù)算是每次設(shè)計的一項基本工作。毋庸置疑，當(dāng)為一個應(yīng)用選擇合適的器件時，對電流檢測放大器的誤差規(guī)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(fù)設(shè)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(yù)算的方法，以及如何使用Maxim設(shè)計的計算軟件。軟件采用簡單的網(wǎng)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(yīng)用案例幫助讀者熟悉計算軟件的基本操作。設(shè)計提示和消息標(biāo)志也會提醒您操作過程中不符合檢流規(guī)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)行簡要分析。

　　輸入失調(diào)電壓

　　類似于運(yùn)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(qū)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(diào)誤差，因為單電源供電時，CSA輸出電壓不會達(dá)到輸出電壓下限（VOL）以下。因此，VOS被更準(zhǔn)確地當(dāng)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，圖1所示。

　　圖1. 輸出電壓與采樣電壓的對應(yīng)關(guān)系確定失調(diào)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：

　　（式1）

　　CSA輸入失調(diào)電壓產(chǎn)生的輸出失調(diào)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(diào)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(chǎn)生較高的采樣電壓，相應(yīng)減小誤差預(yù)算中的失調(diào)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(diào)誤差之間進(jìn)行平衡。對于精密的電流檢測應(yīng)用，不會采用大阻值檢流電阻，應(yīng)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(nèi)部固定增益或外部電阻比設(shè)定。增益誤差可由下式確定：

　　（式3）

　　實際增益可由圖1獲得：

　　（式4）

　　增益誤差測量的是傳遞函數(shù)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：

　　（式5）

　　增益非線性

　　一個具有理想線性特性的CSA，其傳輸函數(shù)保持恒定斜率。相對于失調(diào)誤差和增益誤差，如果輸出擺幅在線性區(qū)（該區(qū)域由CSA數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)手冊VCM = 數(shù)據(jù)手冊中確定CSA的增益誤差和失調(diào)誤差時的共模電壓。

　　最小VCM = 施加在用戶電路中的最小共模電壓

　　最大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(shù)據(jù)手冊中的PSRR通常以輸入為參考，其結(jié)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(shù)據(jù)手冊VDD = 數(shù)據(jù)手冊中確定CSA增益誤差和失調(diào)誤差特性時的電源電壓。

　　最小VDD = 作用在用戶電路中的最小電源電壓

　　最大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(shù)CSA采用的是外部檢流電阻，當(dāng)計算總誤差時應(yīng)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(yīng)用，為了達(dá)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：

　　（式9）

　　輸出電阻誤差

　　電流輸出型CSA，如MAX9934，通常采用一個負(fù)載電阻將輸出電流轉(zhuǎn)換成電壓。電流輸出有著明顯優(yōu)勢：多個CSA可復(fù)用同一負(fù)載電阻；另外，如果把輸出電阻端接到ADC的地，電流輸出架構(gòu)可以使CSA對地線干擾具有較強(qiáng)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：

　　（式10）

　　這里GM = 跨導(dǎo)增益。

　　估算系統(tǒng)誤差

　　設(shè)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超過限制，但更多情況下，它會產(chǎn)生一個過于保守、不準(zhǔn)確的估算。最差條件下的計算方法是假設(shè)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，其中總誤差是單個誤差平方和的平方根。RSS是當(dāng)增加兩個隨機(jī)分布（常態(tài)分布或高斯分布）測量時，所得標(biāo)準(zhǔn)方差等同于初始分布標(biāo)準(zhǔn)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(jié)果。

　　關(guān)于RSS，一個有趣的因素是：即使它會導(dǎo)致總誤差比單項誤差大，但主要誤差項經(jīng)常會遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jié)點，可以是輸入也可以是輸出。這一點非常重要，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(shè)計了一個新的計算器，協(xié)助設(shè)計者估算所選CSA的總誤差。該軟件免費(fèi)提供，只需用戶輸入幾個使用規(guī)格，即可自動輸入所選CSA數(shù)據(jù)手冊的相關(guān)參數(shù)，并輸出利用RSS算法得到的最大誤差。計算器還能提示用戶粗心大意造成的數(shù)據(jù)輸入錯誤。例如，輸入采樣電壓是否超過所推薦的滿量程采樣電壓？電源電壓是否超出范圍？輸出擺幅限制是否滿足要求等等，均會給出用戶提示。

　　檢流誤差估算計算器的使用

　　假設(shè)設(shè)計一個過流保護(hù)電路，要求CSA滿足如下條件：

　　a.輸入觸發(fā)點 = 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(yù)算 = 《 2%，這意味著CSA增益誤差《 2%，失調(diào)誤差VOS 《 1mV，因為每項誤差不能超過總誤差。

　　第一步、參數(shù)搜索

　　基于上述要求，參數(shù)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CSA，并進(jìn)入實際參數(shù)（圖2）。

　　圖2. 用戶進(jìn)入的輸入字段。

　　第三步、驗證數(shù)據(jù)手冊規(guī)格

　　計算器自動填入所選CSA數(shù)據(jù)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(shù)。這些參數(shù)默認(rèn)為T = 25 °C時的數(shù)值，如圖3所示MAX9922 CSA。

　　圖3. 計算器從所選CSA數(shù)據(jù)手冊自動收集相關(guān)參數(shù)。

　　按下Calculate按鈕，軟件即可計算出總體誤差。

　　第四步、數(shù)據(jù)手冊參數(shù)調(diào)整

　　盡管計算器自動導(dǎo)出了數(shù)據(jù)手冊給出的增益、失調(diào)誤差、增益誤差、CMRR和PSRR等數(shù)值，也可根據(jù)用戶要求靈活設(shè)置。必要時，可以用特定數(shù)值替代這些值。例如，設(shè)計者可能有一個計算規(guī)定，從軟件中移除失調(diào)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(yù)算的要求。有些情況下，設(shè)計人員或許想采用數(shù)據(jù)手冊中極限溫度下的參數(shù)進(jìn)行計算，而不是預(yù)設(shè)的T = 25°C。

　　為了替換自動輸入的數(shù)據(jù)，使用Enter Overrides欄調(diào)整參數(shù)。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(diào)，在相應(yīng)數(shù)據(jù)手冊調(diào)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(jié)果。

　　圖4. 器件某項條件不滿足時，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?yún)?shù)。每次選定CSA后，點擊Calculate按鈕即可得到相應(yīng)的誤差計算結(jié)果。表1列出了本例中所有備選CSA的誤差計算結(jié)果。數(shù)據(jù)表明，只有MAX9922和MAX9918的總誤差滿足應(yīng)用要求。

　　總結(jié)

本