标签: 差分放大器

一、概要 了解如何在低端电流检测中使用单端放大器，包括 PCB 布局技巧和注意事项，以及如何优化布局提高检测精度。 二、在低端电流检测中使用单端放大器 低端检测的主要优点是可以使用相对简单的配置来放大分流电阻器上的电压。例如，运算放大器的可以做电机控制应用中低成本电流检测使用。 图 1 然而，这种低成本的解决方案可能会带来很多测量误差。为了能够准确测量电流，我们需要考虑可能影响电路敏感节点（如放大器输入）的任何非理想效应。这也是我们在这篇文章中重点讨论的点。 三、 PCB 走线电阻的影响 一个重要的误差是由于 PCB 走线造成的寄生电阻 Rstray 。由于待检测电阻 Rshunt 在毫欧范围内的值很小，任何与 Rshunt 串联的寄生电阻 Rstray 都可能对测量结果产生明显误差。如下图所示，寄生电阻等效电路图。 图 2 根据应用， Iload 可高达数百安培。因此，即使是很小的 Rstray 值也会产生相当大的误差电压 Verror 。该误差电压将被放大器放大并出现在输出端。 由于铜电阻的温度系数相当高（约 0.4%/ ℃）， Rstray 的值会随温度发生很大变化。因此，当该电路应用在大范围温度变化的场景时，寄生电阻会会因温度变化产生相当大的误差。因此，为了降低误差电压 Verror ，我们应该避免长走线以最小化 Rstray 。 值得一提的是，消除 Rstray 误差的更有效解决方案是差分放大器而不是单端放大器。单端放大器检测节点 A 相对于地的电压。然而，差分放大器具有差分输入可以检测 Rshunt 两端的电压。如下图所示。 图 3 差分放大器的传递函数由下式给出： 由于差分放大器的差分输入检测 Rshunt 上的电压， PCB 走线的电阻不会产生误差。我们将在以后的文章中更详细地研究差分放大器配置。 四、阻焊电阻的影响 另一个误差源是与检测电阻串联的焊接电阻。如下图所示 图 4 在该图中，负载电流沿红色箭头方向从左向右流动。垂直走线将分流电阻器连接到放大器输入（ In+ 和 In- ）。因此，放大器会检测 A 点和 B 点之间的电压差。检测电阻的实际值将为 Rshunt+2Rsolder 。焊接电阻可以在几百微欧的范围内。 尤其是在使用小分流电阻器时，该误差变得显着。例如，使用 0.5m Ω分流电阻和 Iload=20 A ，焊接电阻的误差可能高达 22% 。为了解决这个问题，放大器输入应直接连接到分流电阻而不是载流走线。如下图是优化后的 PCB 布局图。 图 5 在这种情况下，有两对 PCB 焊盘：一对用于将 Rshunt 连接到负载，另一对用于将 Rshunt 连接到放大器输入。在大电流应用中，放大器消耗的电流 (Iamp) 远小于 Iload 。因此上述布局可以减少阻焊电阻造成的误差。 为了更好地理解这种技术，让我们比较两种情况下的感测电压。对于图 4 所示的布局，检测到的电压为： 由于 Iamp 比 Iload 小得多，我们有 - 公式 1 这给出了 2Rsolder1*Iload 的误差电压。图 5 中的布局如何？该布局的电路图如下所示： 图 6 请注意，电流 Iload 无需通过 Rsolder2 即可返回其源。测得的电压为： 在这种情况下，误差为 2Rsolder2*Iamp ，它远小于公式 1 ，因为 Iamp 远小于 Iload 。这种电路结构我们通常称为开尔文接法，这种接法在很多领域中得到使用，开尔文接法能使我们准确测量阻抗。图 7 显示了采用 Kelvin 传感技术的其他一些 PCB 布局。 图 7 五、噪声地平面 图 8 显示了另一个误差源，噪声地平面。 图 8 前文提到，由于普通放大器的单端输入测量的是节点 A 相对于地的电压。假设我们的电路板有一个专用的接地层。我们可以在 Rshunt 附近放置一个过孔，以将 B 点保持在系统接地电位，并最大限度地减少 PCB 走线电阻的误差。另一个敏感节点是节点 C 。耦合到节点 C 的任何信号都将被放大并出现在输出端。因此，我们也需要将节点 C 保持在地电位。 但是，假设地有噪声，并且一些电流流过地平面，如图 8 所示。这将导致节点 B 和 C 之间的电位差，而我们理想情况下期望它们处于相同的电位。 假设节点 B 保持在地电位，与地电流的电压差将出现在节点 C 并在输出端引入误差。为避免此错误，建议使用使节点 B 和 C 彼此非常接近的 PCB 布局。 图 9 上图 9 显示了一个将上述考虑因素考虑在内的示例布局。我们使用的是 SOT23 封装的运算放大器。 需要注意：开尔文连接用于检测分流电阻器上的电压。另外， R1 和 Rshunt 的接地侧彼此需要非常靠近。 关注公众号“优特美尔商城”，获取更多电子元器件知识、电路讲解、型号资料、电子资讯，欢迎留言讨论。

简介 电流测量是大多数能量采集设计和一般功率敏感电子应用的基本要求。测量电流的能力在广泛的应用中很重要，但在与能量产生和存储相关的能量收集应用中通常是至关重要的。对于能量产生，电流感测提供了防止诸如过电流之类的故障所需的反馈和控制中的关键因素。对于电池组中的能量存储，测量电池单元电流放电的能力对于确保最大化电池寿命所需的安全充电和放电周期至关重要。 在大多数应用中，电流测量通常依赖于电压的精确测量低侧检测电阻串联接地（图 1a），或与电源串联的高侧检测电阻（图1b）。 图 1：工程师可以在负载的低（a）或高压侧（b）实现电流测量，每种方法都有其优缺点（线性技术提供）。 低端电流测量通常可以采用传统的差分放大器，这为这种类型的测量提供了一种简单有效的方法。另一方面，低侧电流测量存在一些明显的缺点。低负载检测电阻位于负载和地之间，可防止负载直接接地。此外，如果负载意外接地，这种配置可能导致危险的高电流（图 2）。 图 2：低端电流测量可能导致危险 - 如果负载意外接地，则为高电流（由Maxim Integrated提供） 高端测量 高端测量消除了这些问题，允许负载保持与地面的直接连接，同时提供了一种方法检测意外短路引起的高负载电流。高端电流监控在电池供电系统中尤其有用，因为它不会干扰电池充电器的接地路径。但是，高端测量会对设备选择和操作带来额外的要求。对于这种测量配置，采用差分放大器的传统方法效率较低，因为差分放大器的输入电阻存在显着差异，需要确保使用非常匹配的电阻来获得可接受的共模抑制比。 IC制造商已经采用一类专用电流检测放大器（也称为电流分流监控器）来满足对改进的高端电流测量的需求，能够为测量电流提供可靠的解决方案。特别是对于能量收集设计，电流检测放大器通常优于差动放大器。与差动放大器不同，电流检测放大器的设计工作输入电平超过器件自身的电源电压。 INA282等器件可以在-14至+80 V的共模电压下检测分流器的压降。与电源电压无关。同时，电流检测放大器具有极低的失调特性，即使在最低电压电平下也能实现精确测量。对于TI INA282，其低偏移使电流检测能够在分流器上实现最大压降，满量程低至10 mV。 电流检测放大器还具有高共模抑制比，即使在相对处理时也能保持高精度高压和共模噪声。由于电流检测放大器可以在输入端获得更好的匹配，因此共模抑制不再依赖于输入电阻匹配。 与其他方法不同，电流检测放大器不需要电阻网络来衰减高压输入水平。实际上，这些器件可以与小型分流电阻一起使用，所有这些都可以在运行期间实现极低的功耗。 TI的INA282采用+2.7至+18 V单电源供电，最大电源电流为900μA。与低功耗睡眠模式相结合，电流检测放大器通常为功率敏感的能量收集应用提供比早期方法更有效的解决方案。 多种选择 设计人员可以找到各种电流检测放大器，以满足特定的带宽，电流和封装要求。除 TI INA282等电压输出器件外，设计人员还可以找到电流输出器件，如凌力尔特公司的LTC6102，它集成了将输入电压转换为输出电流的电路（图3）。 图 3：除了可用的电压输出电流检测放大器外，凌力尔特公司LTC6102等器件还包括用于产生电流输出的内部电路（由LinearTechnology提供） 适用于要求极低功耗的应用， Maxim Integrated MAX9938和Touchstone Semiconductor TS1102系列具有1μA（典型值）电源电流。两者均具有+ 25°C时的极低输入失调电压，MAX9938提供±100μV（典型值）和±500μV（最大值），而外形尺寸兼容的TS1102具有±30μV（典型值）和±200μV （最大值）。这两款器件均支持低电源电压工作，MAX9938工作电压低至1.6 V，TS1102系列工作电压低至2 V。 对于高速控制环路，设计人员可以找到增益带宽产品的设备百 kHz至超过1 MHz。​I公司的ADM4073提供1.8 MHz的增益带宽积，特别适合用于电池充电器控制环路。同样，Maxim Integrated MAX9611的增益带宽积为2.5 MHz。 数字输出 虽然电流检测放大器通常提供电流或电压输出，但工程师可以找到直接与 MCU接口的器件。MAX9611集成了I²C控制的12位，500采样/s ADC，可用于读取检测电阻，输入共模电压，运算放大器/比较器输出，运算放大器/比较器两端的电压。参考电压和内部芯片温度。 I²C总线兼容1.8和3.3 V逻辑，可轻松连接MCU。 设计人员还可以找到多通道版本的数字输出电流监视器。 Maxim Integrated提供具有I²C串行接口的双通道MAX34408，而TexasInstruments INA3221则是具有I²C接口的三通道器件。两款器件都使用类似的多路复用输入连接到信号链头部的高速ADC，用于监控各种故障，如过流（图4）。 图 4：多通道德州仪器（TI）INA3221等电流检测放大器将每个输入通道复用到片内ADC，通过I²C接口向MCU产生数字输出（由德州仪器公司提供） 结论 电流检测放大器提供这些优势使其成为基于差分放大器的传统设计的高端电流监测的首选解决方案。除了高带宽和共模特性外，这些器件还具有高精度和极低功耗的特点。利用可用的电流检测放大器工程师可以实现针对能量收集应用而优化的高端电流测量电路。

差分放大器能把两个输入电压的差值加以放大的电路，也称差动放大器。这是一种零点漂移很小的直接耦合放大器，常用于直流放大。它可以是平衡（术语 “ 平衡 ” 意味着差分）输入和输出，也可以是单端（非平衡）输入和输出，常用来实现平衡与不平衡电路的相互转换，是各种集成电路的一种 基本单元 。   下面总结介绍差分放大器的种类： DP with CS load - Intuition Differential Pair with Diode Load PMOS DP Single Output   SR Gain Trade-off Telescope Cascode input DP CM DR for I/O of Cascode DP Fold Cascode DP   --   Single Stage   Gain Limited – NL Error Eliminate Single End- Different End,   SE-Push Pull   Input Signal Biasing A fully differential class AB input stage OP. Amp.   Cascode OTA: Single Stage   CM BGR CR

  BT9400是贝克瓦特推出的精确匹配的电阻器网络（Matched Network of 4 Resistors）器件系列，为精准分压器(Precision Voltage Divider)、差分放大器(Differential Amplifier)和基准(Reference)电路中的高性能信号处理应用而设计。   BT9400-1采用了8引脚的MSOP封装，内置电阻精确比率为1:1:1:1的四个10K欧姆的电阻。每款BT9400-1器件在-45°C至85°C的温度范围内保证0.01%的匹配准确度。作为分立电阻器的替代解决方案，BT9400-1采用小型化的MSOP封装，最大限度地减小温度梯度。凭借其封装的可靠坚固性，BT9400-1是工业、仪表及测试设备的合适选择。由于BT9400-1基于成熟的硅制造及封装工艺，因此有通过极端条件的振动冲击（30000g加速度）、湿度和盐雾测试的耐受能力。   概括地说，为用户保持电阻器使用简单性的同时，BT9400-1提供了卓越的匹配精度和坚固可靠性。   主要特性   匹配独立的四个10k欧姆电阻器 在-45°C至85°C温度范围内提供卓越的匹配 电阻器至电阻器的匹配为 0.01%  匹配的温度漂移小于1ppm/°C  最高120V的工作电压 8引脚MSOP封装