用漏斗放大器測量電流的教程

準(zhǔn)確的電流測量并不像電壓測量那么輕松，當(dāng)試圖測量的電流流過與相對較高的電源電壓相連的負(fù)載時(shí)，這種測量會(huì)變得更加困難。電流檢測電阻器也稱為分流電阻器，因測量精度高、溫度系數(shù)低、成本相對較低，已經(jīng)成為測量電流的首選技術(shù)。由于這種電阻器的阻抗低，通常必須對其兩端的較低電壓進(jìn)行升壓。此項(xiàng)任務(wù)通常由在低壓側(cè)或高壓側(cè)配置中連接的電流檢測放大器來完成。

不過，當(dāng)負(fù)載由電壓相對較高的電源驅(qū)動(dòng)時(shí)(例如：工業(yè)控制應(yīng)用)，檢測電阻器可以大得多，而不會(huì)從負(fù)載爭奪過多的驅(qū)動(dòng)電壓。與流過低阻抗分流電阻器(數(shù)值通常以毫歐姆或微歐姆計(jì))的檢測電流所產(chǎn)生的電壓相比，這些增加的電阻會(huì)產(chǎn)生大得多的電流檢測電壓。在從電機(jī)控制到功率轉(zhuǎn)換之類高功率工業(yè)應(yīng)用中，這些檢測電壓通常可以高達(dá)幾伏。

這種檢測電壓往往需要進(jìn)行衰減和電平位移之后，才能應(yīng)用于通常采用單極 3 V 或 5 V 電源供電的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。衰減和電平位移信號(hào)調(diào)節(jié)鏈有時(shí)也稱為漏斗信號(hào)鏈，因?yàn)闄z測到的電壓信號(hào)在通過 ADC 的信號(hào)調(diào)節(jié)鏈時(shí)會(huì)逐漸變窄。降低或收窄這些檢測電壓的傳統(tǒng)方式是使用無源衰減法，但也可以使用差分漏斗放大器，這種方法在減少元件數(shù)量的同時(shí)可以提高測量精度。

漏斗放大器可以執(zhí)行多達(dá)三項(xiàng)信號(hào)調(diào)節(jié)任務(wù)：

在模擬前端 (AFE) 信號(hào)鏈的末端，將檢測到的電壓衰減到 ADC 可接受的電平。

根據(jù)需要執(zhí)行電平轉(zhuǎn)換(電平位移)，例如在高壓側(cè)檢測設(shè)計(jì)中。

可以具有驅(qū)動(dòng)全差分 ADC 所需的差分輸出。

設(shè)計(jì)人員如果需要測量數(shù)百伏級極高共模電壓上的小信號(hào)，請參閱 Art Pini 的文章“測量高電壓上的小信號(hào)，并避免傳感器接地回路”。

高壓側(cè)與低壓側(cè)檢測概覽

如圖 1 所示，最常見的電流監(jiān)控信號(hào)鏈配置包括分流電阻器、AFE、ADC 和系統(tǒng)控制器。運(yùn)算放大器或?qū)Ｓ秒娏鳈z測放大器將分流電阻器兩端產(chǎn)生的小差分電壓轉(zhuǎn)換為 ADC 所需的更大輸出電壓。

圖 1：最簡單的電流測量方法是使用分流電阻器(最左側(cè))，該電阻器自身產(chǎn)生的電壓與流經(jīng)它的電流成正比。檢測放大器對信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其符合 ADC 的輸入要求。

低壓側(cè)電流測量將分流電阻器放置在有源負(fù)載和接地之間。低壓側(cè)電流測量更容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榉至麟娮杵鲀啥说臋z測電壓以接地為參考。然而，低壓側(cè)的測量配置具有明顯的缺點(diǎn)：分流電阻器位于負(fù)載和接地之間，這意味著負(fù)載不以接地為參考。此外，無法檢測負(fù)載到接地之間的潛通路上的漏電電流。

高壓側(cè)電流測量將分流電阻器插在電源和有源負(fù)載之間。圖 2 展示了用于進(jìn)行低壓側(cè)和高壓側(cè)電流測量的電路。

圖 2：低壓側(cè)電流測量電路將電流檢測電阻器放置在有源負(fù)載和接地之間，而高壓側(cè)測量電路則將電流檢測電阻放置在電源和負(fù)載之間。

與低壓側(cè)電流測量相比，高壓側(cè)電流測量具有兩個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢：

通過潛通路可以輕松檢測到負(fù)載內(nèi)部對接地產(chǎn)生的短路，因?yàn)楫a(chǎn)生的短路電流將流過分流電阻器，在其兩端形成檢測電壓。

高壓側(cè)電流測量不以接地為參考，因此流過系統(tǒng)接地平面的大電流所引起的差分接地電壓不會(huì)影響測量。

高壓側(cè)電流測量也有一個(gè)明顯缺點(diǎn)：檢測電壓疊加在相對較大的共模電壓之上。

無論是低壓側(cè)測量還是高壓側(cè)測量，在高電壓和大電流下運(yùn)行的負(fù)載所產(chǎn)生的檢測電壓很容易超過輸入電壓額定值，甚至超過用來將檢測電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字值的 ADC 電源軌。這種情況下需要某種衰減。此外，檢測電壓取決于高壓側(cè)測量的大電壓偏移量，通常高達(dá)數(shù)十甚至數(shù)百伏。這些情況下需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，使得檢測電壓處于 ADC 的額定輸入電壓范圍內(nèi)。

漏斗放大器內(nèi)部集成了出廠前已經(jīng)過微調(diào)的高匹配電阻器，可設(shè)置精確的電壓增益和偏移。與基于分立式、非匹配電阻器的設(shè)計(jì)相比，這些內(nèi)部電阻器具有更好的性能和更高的精度，同時(shí)減少了元件數(shù)量。最后，這些電流檢測應(yīng)用中使用的高性能 ADC 可能具有差分輸入，因此某些漏斗放大器擁有差分輸出功能，可以正確地驅(qū)動(dòng)這些差分 ADC。

介紹兩種漏斗放大器

Analog Devices 的 LT1997 漏斗放大器(LT1997-2 和 LT1997-3)以及 AD8475 全差分漏斗放大器都是配有全集成精密電阻器的實(shí)例。所有這三個(gè)器件均可用于執(zhí)行類似的信號(hào)調(diào)節(jié)任務(wù)，但各自的功能差別很大。

其中兩款 LT1997 增益可選的漏斗放大器屬于衰減(漏斗)差分放大器，可將較大的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為能夠與 ADC 輸入兼容的較低電壓范圍。兩個(gè) LT1997 漏斗放大器均在一個(gè)芯片上集成了一個(gè)精密運(yùn)算放大器和一組高度匹配的內(nèi)部電阻器。這兩個(gè)器件無需額外的外部元件，便可進(jìn)行精確的電壓衰減和電平位移。圖 3 是一個(gè)展示采用 DFN 封裝的 LT1997-2 放大器的元件的內(nèi)部示意圖，圖 4 是采用 MSOP 封裝的 LT1997-3 放大器的內(nèi)部示意圖。

圖 3：LT1997-2 放大器包含多個(gè)精確匹配的電阻器，這些電阻器可以組合在一起，產(chǎn)生多個(gè)高精度的小數(shù)增益和衰減。

圖 4：LT1997-3 放大器包含多個(gè)精確匹配的電阻器，這些電阻器可以組合在一起，產(chǎn)生多個(gè)高精度的小數(shù)增益和衰減。

請注意，盡管這兩個(gè)器件的架構(gòu)非常相似，零件編號(hào)也很接近，但電阻值有很大差別。另請注意，MSOP 封裝將連接至 DFN 封裝內(nèi) REF 引腳的內(nèi)部電阻器分割成兩個(gè)與引腳 REF1 和 REF2 相連的較大電阻器。

當(dāng)采用并聯(lián)連接時(shí)，兩個(gè)封裝中的電阻相同，不過，MSOP 封裝的這一功能允許將這兩個(gè)電阻器連接到電源軌，從而在內(nèi)部放大器的正輸入端建立精確的中點(diǎn)電壓基準(zhǔn)，且無需額外的元件。LT1997-2 和 LT1997-3 MSOP 封裝中均存在這種分離式電阻器配置。

為了產(chǎn)生各種放大器增益，可以連接 LT1997 的內(nèi)部輸入電阻器。為了實(shí)現(xiàn)漏斗化任務(wù)，可通過連接輸入電阻器，來產(chǎn)生多種用于形成漏斗放大器的衰減設(shè)置。表 1 列出的是使用 LT1997-2 放大器的內(nèi)部正輸入電阻器可實(shí)現(xiàn)的 38 種小數(shù)衰減設(shè)置，而表 2 列出的是使用 LT1997-3 的內(nèi)部正輸入電阻器可實(shí)現(xiàn)的 30 種設(shè)置。

表 1：LT1997-2 放大器的精確匹配型正輸入電阻器可以組合使用，以產(chǎn)生多個(gè)精確小數(shù)衰減級別。

表 2：LT1997-3 放大器的精確匹配型正輸入電阻器可以組合使用，以產(chǎn)生多個(gè)精確小數(shù)衰減級別。

表 1 和表 2 顯示了只使用 LT1997-2 和 LT1997-3 漏斗放大器的內(nèi)置電阻器便可實(shí)現(xiàn)的多種精確衰減可能，但這并不是它們的全部功能。此外，還可以使用其他內(nèi)部電阻器對放大器增益進(jìn)行編程，然后用衰減乘以增益，得出放大器的輸出。當(dāng)然，如果內(nèi)部電阻器所實(shí)現(xiàn)的衰減/增益組合都不適合總體設(shè)計(jì)要求，也可以為電路添加外部精密電阻器。然而，使用外部分立式電阻器缺乏內(nèi)部電阻器所具有的出廠嚴(yán)格匹配優(yōu)勢。

LT1997-2 和 LT1997-3 漏斗放大器可在較寬的共模輸入電壓范圍內(nèi)運(yùn)行(可以比器件的負(fù)電源軌高出 76 V)。通過在分壓器配置中使用器件的內(nèi)部輸入電阻器，LT1997-3 的模擬 INA 輸入可由高達(dá) ±160 V 的電壓安全驅(qū)動(dòng)，LT1997-2 的 INA 輸入則可由高達(dá) ±255 V 的電壓驅(qū)動(dòng)。

內(nèi)部電阻器的嚴(yán)格匹配可使兩個(gè)器件實(shí)現(xiàn)極高的共模抑制比。這種能夠適應(yīng)具有較高共模電壓的信號(hào)的極端能力，依托的就是 Analog Devices 稱之為“Over-The-Top”的操作能力。當(dāng)器件處于 Over-The-Top 模式時(shí)，可通過削弱其他規(guī)格(包括線性度、輸入偏置電流、輸入失調(diào)電流、差分輸入阻抗、噪聲和帶寬)來承受極端共模電壓。此功能看似需要削弱很多參數(shù)，但好處是，它能處理對其他運(yùn)算放大器致命的輸入電壓。

LT1997-2 和 LT1997-3 放大器均具有規(guī)格書中列出的全部規(guī)格，可在 5 V 單端電源和 ±15 V 電源下運(yùn)行，此外，這兩種器件也可在 3.3 V - 50 V 的更寬供電電壓范圍內(nèi)運(yùn)行。最后需要注意的是，LT1997 放大器具有單端輸出。

全差分漏斗放大器

Analog Devices 的 AD8475 全差分漏斗放大器可提供 0.4 或 0.8 的精密衰減能力、共模電平位移以及單端信號(hào)到差分信號(hào)轉(zhuǎn)換，并具有輸入過壓保護(hù)功能(圖 5)。該器件包含一整套 AFE 構(gòu)件，包括經(jīng)過匹配的激光微調(diào)輸入電阻器和一個(gè)精密差分放大器。該放大器可用于將工業(yè)級信號(hào)連接到低電壓、高性能 16 或 18 位單電源 SAR(逐次逼近)ADC 的差分輸入端。AD8475 放大器可使用單電源處理 ±10 V 信號(hào)，當(dāng)在單個(gè) 5 V 電源下運(yùn)行時(shí)，還可提供相對輸入電壓高達(dá) ±15 V 的過壓保護(hù)。

圖 5：Analog Devices 的 AD8475 全差分漏斗放大器使用經(jīng)過匹配的內(nèi)部激光微調(diào)電阻器，提供 0.8 和 0.4 的引腳可編程增益。

AD8475 具有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)增益選項(xiàng)：0.4 和 0.8。使用與目標(biāo)增益對應(yīng)的輸入引腳可設(shè)置該器件的增益。

AD8475 漏斗放大器的大電流差分輸出級能夠讓放大器驅(qū)動(dòng)許多 ADC 的開關(guān)電容器前端電路，且誤差很小。此外，壓擺增強(qiáng)型 AD8475 的高速輸出使其能夠穩(wěn)定至 18 位精度，實(shí)現(xiàn)快至每秒 4 兆次的采集率，因而可以測量高速電流(進(jìn)而測量功率)。該放大器的差分輸出可輕松驅(qū)動(dòng) SAR、ΣΔ 和流水線型 ADC 的輸入。

圖 6 顯示的 AD8475 放大器將差分輸入驅(qū)動(dòng)到 Analog Devices 每秒 1 兆次采樣的 18 位、低功耗 AD7982 ADC。

圖 6：AD8575 漏斗放大器的差分輸出可直接驅(qū)動(dòng)像 Analog Devices AD7982 這樣的 ADC 的差分輸入。

該差分輸入 ADC 由單個(gè)電源供電。三個(gè)正弦波形描述了該電路執(zhí)行漏斗放大器可以執(zhí)行的所有三種信號(hào)處理任務(wù)的示意圖：衰減、電平位移和差分驅(qū)動(dòng)。請注意，位于圖中間頂部和底部的兩個(gè)正弦波的相位差為 180°。這兩個(gè)波形展示了 AD8475 放大器的差分驅(qū)動(dòng)能力。

圖中左下方 Analog Devices 的 ADR435 超低噪聲 XFET? 電壓基準(zhǔn)為該電路生成了精確的 5 V 基準(zhǔn)電壓。

圖 6 中的電路可適應(yīng)來自電流檢測電阻器的雙極 ±10 V 的交流輸入信號(hào)擺動(dòng)。此電路可對輸入信號(hào)進(jìn)行衰減和電平位移，最終使用以 2.5 V 直流偏移為中心的 4 V 峰峰信號(hào)擺幅來驅(qū)動(dòng) ADC 的輸入，以匹配 AD7982 ADC 的輸入要求。由兩個(gè) 10 千歐 (kΩ) 電阻器組成的分壓器(如圖中右下角所示)可為 AD8475 的 VOCM 輸入引腳產(chǎn)生 2.5 V 偏移基準(zhǔn)電壓，用于設(shè)置該放大器的輸出電壓偏移。設(shè)計(jì)工程師可利用此功能接入設(shè)計(jì)中所用 ADC 需要的精確偏移電壓。

總結(jié)

許多工業(yè)應(yīng)用都以相對較高的電壓來驅(qū)動(dòng)負(fù)載。這種情況下，高壓側(cè)電流測量電路的模擬前端必須能夠接受通常大于其供電電壓的輸入信號(hào)電壓。而處理這樣的輸入電壓需要進(jìn)行信號(hào)衰減和電平位移。漏斗放大器專為這類信號(hào)調(diào)節(jié)任務(wù)而設(shè)計(jì)，它集成了經(jīng)過工廠匹配的精密型激光微調(diào)電阻器。

此外，配有差分輸出功能的漏斗放大器還可輕松驅(qū)動(dòng)高速 ADC，這些 ADC 帶有開關(guān)電容器前端電路，具有非常特殊的驅(qū)動(dòng)要求。