应用笔记 4170

调整检流放大器的失调电压提高电流测量精度


摘要 : 一些应用中需要对检流放大器的输入失调电压(VOS)进行校准,以提高电流测量精度。但是,受放大器最小输出电压(VOL)和输入VOS的影响,校准并非一个简单过程。本应用笔记讨论了一种“调整”单向检流放大器输入VOS的简单方法。利用这一方法测量输入VOS时不受VOL的限制,并且能够提高整体电流测量精度。以MAX4080检流放大器为例对这项技术进行探讨。

类似文章发表于2009年12月的电子工程专辑

引言

检流放大器是广泛用于电子设备实时监测负载电流的成熟IC。系统控制器根据负载信息进行电源管理运算,以更改负载电流本身的特性,并可提供灵活的过流保护方案。

检流放大器在放大微弱的差分电压的同时能够抑制输入共模电压,该功能类似于传统的差分放大器,但两者有一个关键区别:对于检流放大器而言,所允许的输入共模电压范围可以超出电源电压(VCC)。例如,当MAX4080检流放大器工作在VCC = 5V时,能够承受76V的输入共模电压。采用独立的放大器架构,电流检测放大器不会受电阻不匹配造成的共模抑制(CMRR)的影响。MAX4080具有100dB (最小值)的直流CMRR,而基于传统运放的差分放大器则受CMRR限制,其有效输入VOS通过信号链路是被放大。

图1. MAX4080高精度单向电流检测放大器
图1. MAX4080高精度单向电流检测放大器

通过校准提高精度

MAX4080检流放大器具有精密的输入失调电压(VOS),25°C时最大值为±0.6mV,在整个-40°C至+125°C温度范围内,最大值为±1.2mV。但是,许多应用需要更高的电流测量精度,因此需要对输入VOS做进一步校准。这种校准通过在生产过程中测量VOS并将结果存储在固件中实现。利用所存储的数据,当设备在现场投入实际使用时,可以在数字域调整VOS

为便于生产,校准的首选方案是:在负载电流为零(零输入差分电压)时测量VOS。可以测量输出VOS并在以后的测量数据中减去该电压。不幸的是这种方法存在一个缺点,由于VOL (最低输出电压)和输入VOS相互影响,输出电压可能无法精确地反映输入VOS。所有单电源供电放大器均存在这一问题。

以增益为20的MAX4080T为例,并假设输入VOS为零,此时放大器输出的测量值应该为零。而实际情况是:即使在零输入差分电压下,放大器也不能保证输出电压低于15mV (10µA吸电流)。如果直接把测量到输出电压用于VOS校准,放大器的输入VOS为0.75mV (15mV/20 = 0.75mV)。

同样,如果MAX4080T具有VOL = 0,则正电压输入VOS应该产生正的输出VOS。而负电压输入VOS则不会“反映到”输出端,因为放大器不能产生低于地电位的输出电压。这样,在零输入差分电压下,不能通过“直接”测量输出电压来校准输入VOS

生产过程中,有两种方法校准VOS
  1. 双向检流放大器具有内部基准,例如:MAX4081具有1.5V基准,能够将输出测量电压偏置在1.5V,这样,输入差分电压为零时,输出为1.5V ±VOS,引入误差。1.5V电压高于放大器的VOL,不会影响误差分析。可通过测量输出电压与1.5V理论电压之差计算得到VOS误差。但是,这种方法有一个缺点:降低了动态范围。对于输入范围为0V至5V的ADC,其动态范围降低了30%,降至1.5V至5V。另外,这种方法需要使用价格较高的双向检流放大器,用于单向测量。最后,利用一个低漂移1.5V基准或额外的一个通道的目的只是为了测量该1.5V基准电压,设计人员很难接受这种方案。

  2. 两点测量法对检流放大器施加两个已知的差分输入电压(负载电流)。首先,基于测量电压,利用直线逼近法在图表上外推出零检流电压对应的输入VOS。然后,利用电压测量值进行校准。这种方法的缺点是:需要提供两个“已知”的精密电流值,生产中很难得到这样的电流,同时还增加了测试时间。最后,需要注意的是:对于接近零的差分输入电压,很难得到精确的测量值,因为在极小的检测电压下,VOL限制会产生误差。

利用输入电阻调整输入VOS

本应用笔记介绍了第三种检流放大器输入VOS的测量方法。同样以MAX4080为例,作用一个零输入差分电压,能够抵消VOL与VOS间的相互影响—可以方便地用于生产线测试。

所有的检流放大器都具有输入偏置电流,必须慎重使用输入电阻(例如,作为输入滤波器的一部分),因为电阻会引入不确定的增益和失调误差。应用笔记3888:“带有输入串联电阻的电流检测放大器的性能”讨论了上述问题。本文采用类似技术,但特意选择不匹配的输入电阻,以引入额外的输出VOS。MAX4080的偏置电流可进行温度补偿,整个工作范围内偏置电流为5µA (典型值)和12µA (最大值)。在RS-串联一个2kΩ电阻(图2),以产生典型值和最大值分别为10mV和24mV的输入VOS。所引入的VOS产生相应的输出失调范围为200mV (典型值)和480mV (最大值),足以克服MAX4080 VOL和VOS的限制。输入电阻引入的误差VOS与温度有关,取决于输入电阻的温漂特性(通常为100ppm)和偏置电流(忽略不计)。

图2. MAX4080配置中在RS-端串联了一个外部2kΩ电阻
图2. MAX4080配置中在RS-端串联了一个外部2kΩ电阻

在100°C温度变化范围内,+100ppm电阻温漂特性将产生+1%的阻值变化(即+20Ω)。这样,输入电阻产生的附加输入VOS漂移典型值约为+0.1mV,最大值为+0.24mV (整个偏置电流变化范围内)。而这一温漂值在没有进行校准的情况下仅占输入VOS双向误差(±0.6mV)的20%,在没有校准的情况下这是一个可以接受的结果。

假设整个温度范围内具有15mV的VOL和±1.2mV的输入VOS,附加输入VOS的最小值必须为1.2mV + 15mV/20 = 1.95mV ≈ 2mV。表1列举了整个温度范围内的测试结果。MAX4080忽略了测试放大器本身的VOS温漂,测量到的VOS温漂由输入电阻和其ppm温漂产生。

表1. 带有输入电阻和不带输入电阻情况下的温度测试结果
VOS -40°C +25°C +85°C +125°C
No Input Resistors -0.015mV 0mV -0.005mV -0.01mV
2kΩ in Series with RS- 9.69mV 9.73mV 9.76mV 9.80mV

结论

本应用笔记介绍了一种校准输入失调的方法,该方法通过适当调整输入电阻在检流放大器MAX4080中引入一个已知的输入VOS。设备制造商可以在生产过程中利用这种方法校准零输入电流下的VOS,提高实时测量精度。
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