了解电阻电流检测中的放大器失调电压和输出摆幅

我们讨论了基于运算放大器的放大器以及专用电流检测放大器可用于增加电流检测电阻两端的电压。这些放大级并不理想，可能会在我们的测量中引入误差。

在本文中，我们将讨论放大器输入失调电压如何影响我们的测量精度。我们还将看到，放大器输出摆幅可能是选择分流电阻值时的一个关键因素。

输入失调电压

理想情况下，当差分放大器的两个输入完全处于相同电位时，差分放大器的输出应为零伏。然而，实际上，当输入之间存在很小的电压差时，输出变为零伏。这种非理想性源于放大器内部元件之间固有的不匹配。

必须施加在放大器输入端子之间以使其输出电压为零伏的电压称为输入失调电压。为了模拟这种非理想效应，我们可以将一个电压源与放大器输入之一串联，并假设放大器是理想的并且具有零失调电压。如图 1 所示。

图1

在图 1 中，灰色框内的电路表示集成电流检测放大器。由于偏移电压由外部电压源 Voffset 建模，因此假定灰色框内的电路具有 0V 的偏移电压，即 V A = V B 我们有 V out = 0。偏移电压的极性可以是正的也可以是负的。 

放大器失调电压误差

考虑图 2 中所示的高侧电流检测图。

图 2

放大器实际上感测节点 A 和 B 之间的电压。假设放大器的差分增益为A d ，我们有：

V o u t = A d ( V A ? V B ) = A d ( V o f f s e t + V s h u n t )Vout=Ad(VA?VB)=Ad(Voffset+Vshunt)

如果 V offset与 V shunt相当，则误差可能很大。例如，当 V offset  = V shunt时，误差为 100%，计算如下：

P e r c e n t a g e E r r o r = V s e n s e d ? V s h u n t V s h u n t × 100 % = ( V o f f s e t + V s h u n t ) ? V s h u n t V s h u n t× 100 % = 100 %Percentage Error=Vsensed?VshuntVshunt×100%=(Voffset+Vshunt)?VshuntVshunt×100%=100%

当 V shunt处于值时，误差。因此，为了找出失调电压的坏情况误差，我们应该考虑负载电流 I load的值。

我们怎样才能减少这个错误呢？

对于给定的负载电流范围，我们可以增加分流电阻值以获得更大的 V shunt和/或使用具有更小失调电压的放大器。

然而，应该注意的是，增加分流电阻值会增加电阻消耗的功率。此外，更高瓦数的电阻器更昂贵并且需要更大的电路板面积。

确定分流电阻器的值

如上所述，测量范围低端的精度与分流电阻器消耗的功率之间存在权衡。通过选择一个大的分流电阻器可以限度地提高精度。

然而，在高电流精密应用中，电流检测电阻消耗的功率会限制可使用的电阻值。在这种情况下，我们可以根据其允许功耗选择R shunt的值。如果分流电阻的功耗预算为 P max，则分流值可通过以下公式计算：

R s h u n t ≤ P m a x I 2 l o a d , m a x Rshunt≤PmaxIload, max2

R shunt的值也可以通过放大器输出摆幅限制到正轨。放大器的摆幅限制取决于用于为放大器供电的电源电压以及放大器的输出级。

尽管轨到轨放大器的输出可以非常接近电源轨，但实际上无法到达它们。即使使用轨到轨放大器，输出摆幅也可能会限制在距电源轨数百毫伏的范围内，具体取决于技术。

放大器的输出摆幅限制还取决于流经输出级的电流水平。必须查阅放大器数据表以确定放大器输出端的可用摆幅。

如果 Vout ,max是放大器输出级保持在其线性工作区域的电压，则分流值可通过以下公式计算：

R s h u n t ≤ V o u t , m ax  I l o a d , m ax A d _ _ Rshunt≤Vout, maxIload, maxAd

公式 1

我们还可以通过考虑到负轨的输出摆幅来找到Rshunt的下限。如果 V out, min 是保证放大器处于线性工作区的输出电压，我们可以找到 R shunt的值：

R s u n t ≥ V o u t , m i n I l o a d , m i n A d _  Rshunt≥Vout, minIload, minAd

公式 2

分流电阻值计算示例

假设我们需要监控 40 mA 和 1 A 之间的负载电流。放大器的增益为 50，V out，值= 4.9 V，V out，值 = 100 mV。假设应用没有限制分流电阻消耗的功率，那么我们需要 多少 R shunt值？

为了限度地减少放大器失调电压的误差，我们应该选择 R shunt的值。应用等式 1，我们得到：

R s h u n t ≤ V o u t , m ax  I l o a d , m ax A d _ _ = 4.9 1 × 50= 98米Ω Rshunt≤Vout, maxIload, maxAd=4.91×50=98 mΩ

使用等式 2，我们可以找到 Rshunt 的值：

R s u n t ≥ V o u t , m i n I l o a d , m i n A d _  = 0.1 0.04 × 50= 50米欧姆_ Rshunt≥Vout, minIload, minAd=0.10.04×50=50 mΩ

应选择此范围内的标准值以化偏移误差。选择适当的 Rshunt 值后，我们可以通过应用以下等式来评估失调误差：

P e r c e n t a g e E r r o r = ( V o f f s e t + V s h u n t ) ? V s h u n t V s h u n t × 100 % = V o f f s e t R s h u n t × I l o a d , m i n × 100 %Percentage Error=(Voffset+Vshunt)?VshuntVshunt×100%=VoffsetRshunt×Iload, min×100%

为了将误差降低到所需水平，我们需要选择输入失调电压足够低的放大器。

我想在这里引起您对一个微妙点的注意。考虑到放大器的输出摆幅限制，失调电压的定义是否存在矛盾？

偏移电压定义为必须施加在放大器输入端子之间以使其输出电压为零伏的差分电压；然而，单电源放大器的输出不能真正摆动到地电位。

在测量非常小的电流时，这些细节可能很重要。 

确定单电源放大器的失调电压

如上所述，当放大器的负轨接地时，其输出只能接近地电位。这在图 3 中进行了说明。

图 3

在此图中，蓝色曲线显示放大器输出与施加到输入的差分电压的关系。

对于非常小的差分输入值，输出电压达到 Vout ,min。由于输出不会低于 V out, min，我们无法直接测量 V offset。

相反，我们可以在工作的线性区域为传递函数曲线拟合一条线，并将这条线与水平轴的交点视为放大器的输入失调电压。您可以想象，如果放大器是理想的，虚线会穿过原点。

我们现在可以找到虚线的方程并确定偏移电压。如果当输入分别为 V diff1 和 V diff2 时，输出为V out1和 V out2，我们可以找到 V offset为：

V o f f s e t = V d i f f 1 ? ( V d i f f 2 ? V d i f f 1 ) ( V o u t 2 ? V o u t 1 )× V o ü t 1Voffset=Vdiff1?(Vdiff2?Vdiff1)(Vout2?Vout1)×Vout1

我们可以使用单电源放大器来测量非常小的电流吗？

由于放大器的输出摆幅限制，使用单电源放大器测量接近零的负载电流可能会引入不可接受的误差。如图 4 所示。

图 4.图片由Texas Instruments提供。

为了避免这个问题，德州仪器的参考设计“ 0-1A、单电源、低侧、电流感测解决方案参考设计”使用LM7705反相电荷泵为放大器的负轨产生 -0.23V 电源. 该参考设计基于使用运算放大器和外部增益设置电阻器的分立解决方案，如图 5 所示。

图 5. 图片由Texas Instruments提供。

根据上述参考资料，负电源必须至少比系统地低 100 mV，以确保放大器呈现低至 0 V 的线性输出。

图 6 显示了另一种能够测量小电流的技术。

图 6

在这种情况下，V ref用于将直流值添加到输出电压。传递函数将变为：

V o u t = A d ( V A ? V B )+ V r e fVout=Ad(VA?VB)+Vref

该技术还可用于通过单电源放大器检测双向负载电流（正负负载电流）。根据所需的电流范围，应选择合适的 V ref值。

结论

放大器输入失调电压会影响测量范围低端的精度。为了减少这个误差，我们应该化分流电阻值。

但是，分流值可能会受到预算功率和放大器输出端可用摆幅的限制。在测量接近零的负载电流时，输出摆幅限制也会引入误差。