電流檢測放大器 (CSA) 是專用放大器，通過測量傳感器元件上的壓降來監(jiān)控電流。您會發(fā)現(xiàn) CSA 跨多種應用，例如基站、服務器背板、汽車、移動和射頻電源設備，在這些應用中，跟蹤瞬時系統(tǒng)電流非常重要，盡管在許多情況下，跟蹤瞬時系統(tǒng)電流會隨著時間的推移而變化。盡管這些設備以不同的信號頻率運行，但 CSA 帶寬的運行范圍最多僅為 1 兆赫茲。 CSA 的主要工作是監(jiān)控電源的運行狀況，其典型變化慢于電路的信號頻率活動。
CSA 的傳感元件是超低值外部電阻器 (R SENSE ) 或集成電流傳感晶體管。一般來說，這些集成 CSA 設備易于使用，比分立版本更精確，并且不易產(chǎn)生噪聲。 CSA 的典型電流范圍從幾十微安到幾百安培不等。這些器件提供可擴展至 +100V 的共模電壓范圍。
使用外部電流檢測電阻的 CSA
使用外部檢測電阻的 CSA 在其輸入端有一個經(jīng)典的差分放大器，用于檢測 R SENSE上的小電壓降。圖 1 顯示了使用超低檢測電阻的通用 CSA 電路。
圖 1具有外部電阻 (R SENSE ) 來感測電池電流 (I BAT ) 的典型 CSA
在圖 1中，仔細選擇 R SENSE 可建立最小的 I BAT * R SENSE 或 V RSENSE 壓降，以保持負載的電源電壓。該系統(tǒng)有效地創(chuàng)建了一個二十年的電流傳感器。此外，R SENSE 與R 1 和R 2之間的絕對電阻差 足夠高，以確保流向負載的電池電流幾乎完全流經(jīng)R SENSE。
圖1 配置提供了充足的共模范圍、低失調(diào)電壓、增益和溫度穩(wěn)定性，以保證良好的電源電流測量。
共模范圍定義了 IN+ 和 IN- 相對于地的直流電壓范圍。圖 1的 CSA設計通常支持電源以外的共模電壓。此特性允許進行高側(cè)(靠近正電源)和低側(cè)(靠近負電源)測量。圖 1 顯示了高側(cè)測量，其中 IN+ 和 IN- 有效偏置到 V BAT1，負載電源偏置到負載電壓 V BAT2。由于 R SENSE上的壓降很小，該電路將共模電壓設置為略高于正電源。
失調(diào)電壓是 IN+ 和 IN- 之間的直流誤差。 CSA 偏移電壓和 I BAT * R SENSE 電壓 (V RSENSE ) 結(jié)合起來產(chǎn)生 IN+ 和 IN- 之間的電壓差。要確定放大器與高失調(diào)電壓之間的差異，需要使用高 R SENSE 電阻值。高 R SENSE電阻確實可以克服高放大器失調(diào)電壓，但是，增益誤差會增加，并且 V BAT2 的電壓幅度 會減小。這些錯誤在電池供電的應用中可能非常嚴重。
電阻器R 1、R 2、R 3和R 4 建立CSA增益。名義上R 1 等于R 2 并且R 3 等于R 4。圖 1中的R 3 / R 4值確定了 CSA 固定增益。這些片上電阻器的受控工藝變化可確保穩(wěn)健的溫度性能和較低的增益誤差。對于該器件，增益范圍為 0.2 V/V 至 1000 V/V，增益誤差低至 0.01%。
選擇外部傳感電阻 R SENSE需要一些技巧。該 CSA 電路的第一個設計步驟確定最大電池電流、CSA 增益和最大 CSA 輸出電壓。確定這些值后，R SENSE 等于：
V OUT 是允許的最大 CSA 輸出擺幅，Gain 是 CSA 信號增益，IL (MAX) 是最大負載電流。
R SENSE的大小 和最大功耗 (R SENSE × I L(MAX) 2 ) 定義了 R SENSE的物理尺寸。
放大器的誤差決定了該系統(tǒng)的低范圍精度。最重要的放大器誤差是輸入失調(diào)電壓。系統(tǒng)偏移誤差百分比等于：
在哪里：
· 偏移誤差是CSA設備的偏移誤差
· V OS 是放大器的失調(diào)電壓
該誤差的大小會影響低值電池電流的精度，從而影響 CSA 系統(tǒng)的動態(tài)范圍。
使用外部傳感電阻的經(jīng)典 CSA 的替代方案是將傳感元件移至 CSA 電路中。您可以通過在集成芯片 (IC) 中創(chuàng)建超低值電阻器來實現(xiàn)此目的。然而，這種技術(shù)創(chuàng)建的設備僅限于少數(shù)應用程序。另一種方法是利用可用的 IC 晶體管來實現(xiàn)電流鏡來測量電池電流。
使用內(nèi)部電流檢測晶體管的 CSA
對于這款新器件的建議是放棄兩個十進制的 R SENSE 電阻解決方案，并用四個十進制的集成電流感應元件取而代之(圖 2)。
圖2 四十年電流檢測器件
四個十年的電流檢測器件通過有源片上晶體管接受電源電流。圖 3所示的器件 可保持 300μA 至 3A 的精度，晶體管傳感元件上的壓降為 35mV 至 60mV。電流鏡拓撲消除了偏移限制并降低了噪聲，從而將動態(tài)范圍擴展至至少四個十進制。
具有集成感測元件允許工廠微調(diào)，從而使用戶無需校準獨立的 CSA 感測電阻器。所示器件包含一個 4 個十進制電流檢測元件，并使用外部電阻器(R H、R M和 R L)來選擇滿量程電流范圍。
布局問題
與昂貴的外部 R SENSE相比，集成電流檢測元件可節(jié)省大量電路板空間 (圖 3)。
圖 3與結(jié)合外部檢測電阻 (R SENSE ) 的典型 CSA 相比，四個十年 CSA 的 PCB 空間消耗。
在圖 3中，SOT-23 封裝中的 CSA 與 1Ω 電流檢測電阻器的組合消耗約 30mm 2 的 PCB 空間。四個十年的 CSA 消耗的 PCB 空間比典型的 CSA 加 R SENSE少 10 到 20 倍。
大 1Ω 電流檢測電阻器的漂移通常非常高，從 20ppm/°C 到 400ppm/°C，其中最便宜的電阻器漂移最大。為了獲得良好的初始精度和較低的溫度漂移，電阻器的價格會上漲。
在經(jīng)典的電流檢測電路中，檢測電阻器的設計可能會帶來不受歡迎的挑戰(zhàn)。前期設計工作通常很乏味，而且所使用的檢測電阻不僅在多種應用中成本高昂，而且占用大量 PCB 面積。用集成電流鏡替換傳感電阻器和 CSA 是一種解放且簡單的選擇。這種小型、緊湊的解決方案可節(jié)省約 20 倍的電路板空間，并提供 4 個十年的傳感范圍。
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