摘要：本篇應用筆記闡述了高邊電流檢測放大器的性能特性。本文論述了在放大器的檢測輸入端如何使用串聯電阻。該設計方法特別適用于需要對高壓線路上檢測電阻兩端的小信號電壓進行放大，并將放大的電壓反饋至低壓ADC或低壓模擬控制環路的應用。文中給出了MAX4173和MAX4372的測試數據。

概述

從功能上來說，電流檢測放大器可看成一個輸入級浮置的儀表/差分放大器。這就是說，即使僅采用VCC = 3.3V或5V單電源供電，器件仍然能夠對共模電壓遠大于電源電壓的輸入差分信號進行放大。例如，電流檢測放大器的共模電壓可高達28V (MAX4372和MAX4173和76V (MAX4080和MAX4081)。

電流檢測放大器的這一特性對高邊電流檢測應用非常有用，在這些應用中需要放大高壓線路上檢測電阻兩端的小信號電壓，并將放大的電壓反饋至低壓ADC或低壓模擬控制環路。在這類應用中，通常需要在源端對電流檢測信號(如檢測電阻兩端的信號)進行濾波。該部分電路即可采用差分濾波器(圖1)實現，以平滑負載電流“尖峰”并對電壓進行檢測；也可采用共模濾波器(圖2)實現，以增強ESD性能，并抑制共模電壓峰值和瞬時過壓。設計上述濾波器時必須正確選擇器件參數，以保證電路正常工作。如果元件值選擇不當，將會引入無法預料的失調電壓和增益誤差，從而影響電路性能。


圖1. 差分濾波器的電路圖，可平滑負載電流尖峰


圖2. 共模濾波器的電路圖，增強了對ESD尖峰和共模過壓的抑制能力

確定采用何種濾波器

現在就以圖3所示的MAX4173電流檢測放大器為例。該器件的檢測電阻直接與芯片的RS+和RS-端相連。內部運算放大器使得RG1兩端電壓與檢測電阻兩端的差分電壓相等，即ILOAD × RSENSE = VSENSE = IRG1 × RG1。然后，電流(IRG1)可通過內部電流鏡進行轉換和放大，從而產生輸出電流IRGD。在MAX4173的內部電路中RGD = 12k，RG1 = 6k。

因此，

VOUT = RGD × IRGD = RGD × 增益 × IRG1 = RGD × 增益 × VSENSE/RG1

由于RGD和RG1是片內電阻，因此，其實際電阻值通常隨半導體制造工藝的變化最大波動可達±30%。由于最終增益精度由RGD與RG1的比值大小決定，因此，可以在生產期間很容易的控制最終增益并對其進行微調。


圖3. MAX4173的內部功能框圖

然而，當檢測電阻的RSENSE+和RSENSE-端，與器件的RS+和RS-引腳之間接入串聯電阻，構成差分/共模濾波器(如圖1和圖2所示)時，等效于器件的RG1和RG2阻值發生了變化。根據上述公式，改變調整好的RG1阻值將會引入增益誤差。此外，由于RG1絕對值最大有±30%的波動，因此增益誤差可達±30%，并且不同的器件的增益誤差是不可控的或無法預測的。因此，控制增益誤差唯一的辦法就是確保輸入串聯電阻RSERIES+要比RG1小。

此外，由于器件輸入偏置電流的存在，電阻RG1和RG2間的不匹配將會引入輸入失調電壓。MAX4173和MAX4372數據資料中給出的偏置電流IRS-是IRS+的2倍，因此，與RG1串聯的電阻(RSERIES+)應是與RG2串聯電阻(RSERIES-)的2倍，以消除輸入失調電壓。以下電流檢測放大器具有同樣的偏置電流特性：MAX4073、MAX4172、MAX4373–MAX4375和MAX4376–MAX4378。因此，需要采用相同技術使用恰當的輸入電阻，以滿足差分/共模信號的濾波設計。

結論和驗證

總之，如果滿足下列條件，則檢測電阻與RS+和RS-引腳之間的串聯電阻所構成的輸入濾波器將具有最佳性能。

1. 相對于RG1，RSENSE+和RS+之間的串聯電阻應保持足夠小。
2. RSENSE+和RS+之間的串聯電阻應是RSENSE-和RS-之間串聯電阻的2倍。

最后，需要注意的是，由于RSERIES+是RSERIES-的2倍，因此共模濾波器電容也應相應調整以滿足所期望的AC和瞬態性能的要求。

表1給出的實驗測試結果是基于MAX4173T獲得的，并支持上述討論。VOS的最小值和最大值是根據數據資料中的最小和最大偏置電流計算的；而增益誤差的最小值和最大值則是根據RG1 = 6k ±30%計算的。

表1. MAX4173串聯電阻的測試結果

同理，MAX4372F的實驗測試結果如表2所示(RG1 = 100k)。

表2. MAX4372串聯電阻的測試結果

增益誤差的最小值和最大值以及VOS的最小值和最大值的計算公式如下所示。

原增益

= 常數 × RGD/RG1 = 20 (T版MAX4173)

新增益

= 常數 × RGD/RG1new; RG1new = RG1 + RSERIES+
= 原增益 × RG1/RG1new
= 20 × RG1/(RG1 + RSERIES+)

增益誤差

= (20 - 新增益)/20%
= RSERIES+/(RG1 + RSERIES+)

最小增益誤差

= RSERIES+/(1.3 × RG1 + RSERIES+)

最大增益誤差

= RSERIES+/(0.7 × RG1 + RSERIES+)

RG1 = 6k (MAX4173)

VOS = IBIAS2 × RG2new - IBIAS1 × RG1new

= IBIAS1 × ((2 × RSERIES-) - RSERIES+); 其中IBIAS2 = 2 × IBIAS1

IBIAS1(最小值) = 0
IBIAS1(最大值) = 50μA (MAX4173)