美信直流誤差計(jì)算器簡(jiǎn)化檢流放大器的優(yōu)化

　　本文介紹了一種計(jì)算檢流放大器直流誤差的系統(tǒng)方法，對(duì)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(jì)算軟件的使用方法，幫助設(shè)計(jì)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(guó)Elektronikpraxis雜志上。

　　概述

　　集成檢流放大器經(jīng)常用來(lái)測(cè)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(xiàn)重要的系統(tǒng)功能，例如過(guò)流保護(hù)、設(shè)備監(jiān)測(cè)、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(cè)等。由于所要求的電流檢測(cè)規(guī)格、實(shí)施方案與應(yīng)用本身一樣多樣化，分析電流檢測(cè)放大器（CSA）的誤差預(yù)算是每次設(shè)計(jì)的一項(xiàng)基本工作。毋庸置疑，當(dāng)為一個(gè)應(yīng)用選擇合適的器件時(shí)，對(duì)電流檢測(cè)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(jì)的風(fēng)險(xiǎn)。

　　本文討論了電流檢測(cè)放大器的誤差源，介紹了一種估計(jì)總誤差預(yù)算的方法，以及如何使用Maxim設(shè)計(jì)的計(jì)算軟件。軟件采用簡(jiǎn)單的網(wǎng)頁(yè)圖形用戶(hù)界面，計(jì)算所選 Maxim CSA的總體直流誤差。并通過(guò)一個(gè)應(yīng)用案例幫助讀者熟悉計(jì)算軟件的基本操作。設(shè)計(jì)提示和消息標(biāo)志也會(huì)提醒您操作過(guò)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(cè)放大器中有幾種普遍存在的直流誤差源，下面對(duì)每種誤差源進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

　　輸入失調(diào)電壓

　　類(lèi)似于運(yùn)算放大器，電流檢測(cè)放大器的輸入偏置電壓（VOS）定義為將輸出電壓驅(qū)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(cè)量失調(diào)誤差，因?yàn)閱坞娫垂╇姇r(shí)，CSA輸出電壓不會(huì)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(xiàn)的線(xiàn)性部分反向延長(zhǎng)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(duì)應(yīng)關(guān)系確定失調(diào)電壓。

　　如果VOUT1是VSENSE = VSENSE1時(shí)測(cè)得的輸出電壓，VOUT2是VSENSE = VSENSE2時(shí)測(cè)得的輸出電壓，那么VOS可由下面的公式計(jì)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(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(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(shí)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(duì)于精密的電流檢測(cè)應(yīng)用，不會(huì)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(shí)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(shí)際增益可由圖1獲得：

　　（式4）

　　增益誤差測(cè)量的是傳遞函數(shù)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(shù)保持恒定斜率。相對(duì)于失調(diào)誤差和增益誤差，如果輸出擺幅在線(xiàn)性區(qū)（該區(qū)域由CSA數(shù)據(jù)手冊(cè)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(cè)量CSA對(duì)作用在兩個(gè)輸入端的同等變化信號(hào)的抑制能力。數(shù)據(jù)手冊(cè)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(cè)VCM = 數(shù)據(jù)手冊(cè)中確定CSA的增益誤差和失調(diào)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(shù)據(jù)手冊(cè)中的PSRR通常以輸入為參考，其結(jié)果與所施加的差分信號(hào)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(cè)VDD = 數(shù)據(jù)手冊(cè)中確定CSA增益誤差和失調(diào)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(shù)CSA采用的是外部檢流電阻，當(dāng)計(jì)算總誤差時(shí)應(yīng)該考慮檢流電阻的誤差。采用精密電阻可以減小這項(xiàng)誤差。另外，對(duì)大電流應(yīng)用，為了達(dá)到較好的測(cè)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(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(shì)：多個(gè)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(duì)地線(xiàn)干擾具有較強(qiáng)的抑制能力。但在計(jì)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(dǎo)增益。

　　估算系統(tǒng)誤差

　　設(shè)計(jì)者常常傾向于計(jì)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(xiàng)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(zhǔn)確的估算。最差條件下的計(jì)算方法是假設(shè)所有單項(xiàng)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(dāng)增加兩個(gè)隨機(jī)分布（常態(tài)分布或高斯分布）測(cè)量時(shí)，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(duì)于CSA，每項(xiàng)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(xiàng)誤差源，RSS分析將可獲得最合理的結(jié)果。

　　關(guān)于RSS，一個(gè)有趣的因素是：即使它會(huì)導(dǎo)致總誤差比單項(xiàng)誤差大，但主要誤差項(xiàng)經(jīng)常會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出所有其它項(xiàng)。

　　用RSS法對(duì)電壓輸出型CSA的總誤差進(jìn)行計(jì)算，可以得出：

　　（式11）

　　用RSS法對(duì)電流輸出型CSA的總誤差進(jìn)行計(jì)算，可以得出：

　　（式12）

　　這些計(jì)算中所有的誤差源必須參考同一節(jié)點(diǎn)，可以是輸入也可以是輸出。這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)镃SA的增益通常大于單位增益，而輸出誤差的絕對(duì)值大于輸入誤差。

　　電流檢測(cè)誤差計(jì)算器

　　Maxim設(shè)計(jì)了一個(gè)新的計(jì)算器，協(xié)助設(shè)計(jì)者估算所選CSA的總誤差。該軟件免費(fèi)提供，只需用戶(hù)輸入幾個(gè)使用規(guī)格，即可自動(dòng)輸入所選CSA數(shù)據(jù)手冊(cè)的相關(guān)參數(shù)，并輸出利用RSS算法得到的最大誤差。計(jì)算器還能提示用戶(hù)粗心大意造成的數(shù)據(jù)輸入錯(cuò)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(jì)算器的使用

　　假設(shè)設(shè)計(jì)一個(gè)過(guò)流保護(hù)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(yù)算 = 《 2%，這意味著CSA增益誤差《 2%，失調(diào)誤差VOS 《 1mV，因?yàn)槊宽?xiàng)誤差不能超過(guò)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(jì)算器輸入

　　使用檢流誤差計(jì)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(hào)下拉框（Maxim CSA Device Number）中選一個(gè)CSA，并進(jìn)入實(shí)際參數(shù)（圖2）。

　　圖2. 用戶(hù)進(jìn)入的輸入字段。

　　第三步、驗(yàn)證數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格

　　計(jì)算器自動(dòng)填入所選CSA數(shù)據(jù)手冊(cè)，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(mén) = 25 °C時(shí)的數(shù)值，如圖3所示MAX9922 CSA。

　　圖3. 計(jì)算器從所選CSA數(shù)據(jù)手冊(cè)自動(dòng)收集相關(guān)參數(shù)。

　　按下Calculate按鈕，軟件即可計(jì)算出總體誤差。

　　第四步、數(shù)據(jù)手冊(cè)參數(shù)調(diào)整

　　盡管計(jì)算器自動(dòng)導(dǎo)出了數(shù)據(jù)手冊(cè)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(hù)要求靈活設(shè)置。必要時(shí)，可以用特定數(shù)值替代這些值。例如，設(shè)計(jì)者可能有一個(gè)計(jì)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(gè)不太精確的CSA或許也能滿(mǎn)足誤差預(yù)算的要求。有些情況下，設(shè)計(jì)人員或許想采用數(shù)據(jù)手冊(cè)中極限溫度下的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，而不是預(yù)設(shè)的T = 25°C。

　　為了替換自動(dòng)輸入的數(shù)據(jù)，使用Enter Overrides欄調(diào)整參數(shù)。參考MAX9922，按下計(jì)算按鈕，跳出如圖4所示錯(cuò)誤信息。計(jì)算器提示用戶(hù)降低增益，因?yàn)檩敵鲭妷翰荒軌虺銎骷妮敵鲭妷荷舷蕖?/p>

　　因?yàn)镸AX9922的增益可調(diào)，在相應(yīng)數(shù)據(jù)手冊(cè)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(xiàng)條件不滿(mǎn)足時(shí)，產(chǎn)生的錯(cuò)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(píng)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(diǎn)擊Calculate按鈕即可得到相應(yīng)的誤差計(jì)算結(jié)果。表1列出了本例中所有備選CSA的誤差計(jì)算結(jié)果。數(shù)據(jù)表明，只有MAX9922和MAX9918的總誤差滿(mǎn)足應(yīng)用要求。

　　總結(jié)

本