電流驅(qū)動電流檢測電路

在此介紹的基于運(yùn)放的電流檢測電路并不新鮮，它的應(yīng)用已有些時(shí)日，但很少有關(guān)于電路本身的討論。在相關(guān)應(yīng)用中它被非正式地命名為“電流驅(qū)動”電路，所以我們現(xiàn)在也這樣說。讓我們首先探究其基本概念，它是一個(gè)運(yùn)算放大器和MOSFET電流源(注意，如果您不介意基極電流會導(dǎo)致1%左右的誤差，也可以使用雙極晶體管) 。圖1A顯示了一個(gè)基本的運(yùn)算放大器電流源電路。把它垂直翻轉(zhuǎn)，這樣我們可在圖1B中做高邊電流檢測，在圖1C中重新繪制，來描繪我們將如何使用分流電壓作為輸入電壓，圖1D是最終的電路。

                                                                                                                        A. 運(yùn)放電流源 B. 垂直翻轉(zhuǎn) C. 用分流電壓作為輸入 D. 分流電阻成為輸入電壓源

圖1. 此圖描述了從基本運(yùn)算放大器電流源轉(zhuǎn)換為具有電流輸出的高邊電流檢測放大器。

圖2顯示了電路電源電壓低于運(yùn)算放大器的額定電源電壓。在電壓-電流轉(zhuǎn)換中添加一個(gè)負(fù)載電阻，記住您現(xiàn)在有一個(gè)高阻抗輸出，如果您想要最簡單的方案，這樣可能就行了。

基本電路

圖2顯示了實(shí)施高邊電流檢測的基本的完整的電路。需要考慮的細(xì)節(jié)有：

• 運(yùn)放必須是軌對軌輸入，或有一個(gè)包括正供電軌的共模電壓范圍。零漂移運(yùn)算放大器可實(shí)現(xiàn)最小偏移量。但請記住，即使使用零漂移軌對軌運(yùn)放，在較高的共模范圍內(nèi)運(yùn)行通常不利于實(shí)現(xiàn)最低偏移。

• MOSFET漏極處的輸出節(jié)點(diǎn)由于正電壓的擺動而受到限制，其幅度小于分流電源軌或小于共模電壓。增加增益緩沖器可以降低該節(jié)點(diǎn)處電壓擺幅的要求。

• 該電路在死區(qū)短路時(shí)不具備低邊檢測或電流檢測所需的零伏特共模電壓能力。在圖2的電路中，最大共模電壓等于運(yùn)算放大器的最大額定電源電壓。

• 該電路是單向的，只能測量一個(gè)方向的電流

• 增益精度是RIN和RGAIN公差的直接函數(shù)。非常高的增益精度是可能的。

• 共模抑制比(CMRR)一般由放大器的共模抑制能力決定。MOSFET也對CMRR有影響，漏電的或其他劣質(zhì)的MOSFET可降低CMRR。

圖2. 最簡單的方法是使用電源電壓額定值內(nèi)的運(yùn)算放大器。這被配置為增益50。增益通過RGAIN/RIN設(shè)定。

性能優(yōu)化

一個(gè)完全緩沖的輸出總是比圖2的高阻抗輸出要靈活得多，并且在緩沖器中提供2的輕微增益，可降低第一級和MOSFET的動態(tài)范圍要求。

在圖3中，我們還添加了支持雙向電流檢測的電路。這里的概念是使用電流源電路(還記得圖1A嗎?)與U1非逆變輸入的輸入電阻(RIN 2)一起，等于RIN(在這種情況下為RIN 1)。然后這個(gè)電阻器產(chǎn)生一個(gè)抵消輸出的壓降，以適應(yīng)必要的雙向輸出擺動。從REF引腳到整個(gè)電路輸出的增益基于RGAIN/ROS的關(guān)系，使得REF輸入可以被配置為提供單位增益，而不考慮通過RGAIN/RIN設(shè)置的增益(只要RIN 1和RIN 2是相同的值)，從而像傳統(tǒng)的差分放大器參考輸入：

VREFOUT = VREF * (RGAIN/ROS) * ABUFFER

(其中ABUFFER是緩沖增益)

注意，在所有后續(xù)電路中，雙向電路是可選的，對于單向電路可以省略。

圖3. 此版本增加了緩沖輸出和雙向檢測能力。它提供了一個(gè)參考輸入，即使在RIN 1和RIN 2值所確定的不同增益設(shè)置下，它也總是以單位增益運(yùn)行。

在高共模電壓下使用

通過浮動電路和使用具有足夠額定電壓的MOSFET，電流驅(qū)動電路幾乎可在任何共模電壓下使用，電路的工作電壓高達(dá)數(shù)百伏特已經(jīng)成為一個(gè)非常常見和流行的應(yīng)用。電路能達(dá)到的額定電壓是由所使用的MOSFET的額定電壓決定的。

浮動電路包括在放大器兩端增加齊納二極管Z1，并為它提供接地的偏置電流源。齊納偏壓可像電阻一樣簡單，但本文作者喜歡電流鏡技術(shù)，因?yàn)樗岣吡穗娐烦惺茇?fù)載電壓變化的能力。在這樣做時(shí)，我們已創(chuàng)建了一個(gè)運(yùn)放的電源“窗口”，在負(fù)載電壓浮動。

另一個(gè)二極管D1已出現(xiàn)在高壓版本中。這個(gè)二極管是必要的，因?yàn)橐粋€(gè)接地的短路電路最初在負(fù)載處會把非逆變輸入拉至足夠負(fù)(與放大器負(fù)供電軌相比)，這將損壞放大器。二極管限制這種情況以保護(hù)放大器。

圖4. 高壓電路“浮動”運(yùn)放，其齊納電源在負(fù)載電壓軌

該電路其它鮮為人知的應(yīng)用

我不確定是否有人使用電流檢測MOSFET。在幾年前的一些實(shí)驗(yàn)室研究中，我確信，一旦校準(zhǔn)，MOSFET電流檢測是非常精確和線性的，但它們有約400 ppm的溫度系數(shù)。盡管如此，最佳的電路結(jié)構(gòu)迫使檢測電極在與MOSFET的源電壓相同的電壓下工作，同時(shí)輸出部分電流。圖5顯示了如何使用電流驅(qū)動電路來實(shí)施。

圖5. MOSFET檢測FET電路