【導讀】惡劣環境是電機控制或電磁閥控制應用中的許多電氣系統必須面對的現實。控制電機和電磁閥的電子裝置需要非常接近使終端應用發生物理運動的高電流和電壓。
惡劣環境是電機控制或電磁閥控制應用中的許多電氣系統必須面對的現實。控制電機和電磁閥的電子裝置需要非常接近使終端應用發生物理運動的高電流和電壓。除了近距離外，這些系統常常會進行維修(例如，雇傭技工更改洗碗機電磁閥的控制器板)，這就為非故意的接線錯誤留下了可能性。接近高電流和電壓，加上接線不當的可能性，要求設計需要考慮過壓保護。
為了構建高效安全的系統，須使用精密電流檢測放大器來監控這些應用中的電流。精密放大器電路設計需要防止過壓影響，但這種保護電路可能會影響放大器的精度。適當地設計、分析和驗證電路，可以在保護和精度之間達成平衡。本文討論兩種常見保護電路，以及這些電路的實施會如何影響電流檢測放大器的精度。
電流檢測放大器
大部分電流檢測放大器可處理高共模電壓(CMV)，但不能處理高差分輸入電壓。在某些應用中，存在分流器的差分輸入電壓超過放大器的額定最大電壓的情況。這在工業和汽車電磁閥控制應用(圖1)中很常見，短路可能會引發故障，將電流檢測放大器暴露于高差分輸入電壓(其可能達到與電池相同的電位)之下。這種差分過壓可能會損壞放大器，尤其是在沒有保護電路的情況下。
圖1. 電磁閥控制應用中的高端電流檢測
過壓保護電路
圖2顯示電流檢測放大器的過壓保護基本連接。當差分輸入電壓超過指定放大器的最大額定值時，放大器就可能會將電流拉入內部保護二極管。若輸入引腳之間存在大差分電壓信號，則額外的串聯電阻R1和R2可防止大電流流入內部保護二極管。
圖2. 基本過壓保護電路
保護電路能夠承受的最大額定電壓和最大輸入電流隨器件而不同。一般經驗法則是，流過內部差分保護二極管的電流應以3 mA為限，除非規格書指明可接受更大的電流值。將該值代入以下等式，計算R1和R2的值：
其中：VIN_MAX是預計最大差分電壓。VRATED_MAX是最大額定電壓(0.7 V)。R是總串聯電阻(R1 + R2)。例如，假設預計最大瞬態輸入電壓為10 V，則等式為：
如果R = 3.1 kΩ，則根據等式1，R1和R2 = 1.55 kΩ。R1和R2的這些數值非常大，考慮到特定放大器的輸入阻抗，R1和R2會對總系統性能貢獻較大誤差。
降低R1和R2的一種方法是在輸入引腳增加電流能力更高的外部保護二極管，如圖3所示。
圖3. 外置輸入差分保護二極管的過壓保護電路
例如，使用Digi-Key B0520LW-7-F肖特基二極管時(該二極管可處理高達500 mA正向電流)，R值降低至20 ?。
系統性能的權衡
在放大器輸入端加入串聯電阻可能會降低某些性能參數。某些放大器中，R1和R2與內部精密電阻串聯。在其他放大器中，失調電流與電阻一同產生失調電壓。更有可能受影響的參數是增益誤差、共模抑制比(CMRR)和失調電壓。
為了研究串聯電阻的潛在影響，測量了兩款電流檢測放大器，其輸入引腳均配置有保護電阻。評估增益誤差、CMRR和失調電壓的測試設置如圖4所示。該設置采用Agilent E3631A電源向器件提供5 V單電源，采用Yokogawa GS200精密直流源產生差分輸入電壓信號，采用HAMEG HMP4030設置CMV，采用Agilent 3458A精密萬用表測量電流檢測放大器的輸出電壓。
圖4. 評估增益誤差、CMRR和失調電壓的測試設置
評估AD8210和AD8418以便測量額外串聯電阻對器件增益誤差、CMRR和失調電壓參數的影響。
增益誤差
當串聯電阻與放大器輸入端串聯時，它們與放大器的差分輸入阻抗一起構成一個電阻分壓器。該電阻分壓器引入一個衰減，其作為額外增益誤差出現在電路中。放大器的差分輸入阻抗越低，該額外增益誤差越大。
表1顯示AD8210經計算得到的額外增益誤差和實際增益誤差。分別在帶與不帶保護電路的情況下測試AD8418。表2顯示該放大器經計算得到的額外增益誤差和實際增益誤差。
實測結果是，AD8418增益誤差偏移0.013%，而AD8210偏移0.497%。AD8418和AD8210的輸入阻抗分別是150 kΩ和2 kΩ，因此，AD8418引入的誤差會遠小于AD8210。
共模抑制比
由于電流檢測放大器經常暴露在高CMV的環境中，因此CMRR是最重要的規格參數之一。CMRR衡量器件抑制高CMV和獲得最優精度與性能的能力。即放大器的兩個輸入端施加相等電壓時，所測得的輸出電壓變化。CMRR定義為差分增益與共模增益之比，通常以dB表示。
使用以下等式計算兩個放大器的CMRR值：
其中：ADM為AD8210和AD8418的差分增益(ADM = 20)。ACM為共模增益ΔVOUT/ΔVCM。
當串聯電阻與放大器輸入端串聯時，串聯電阻的失配會加到內部電阻的失配上，這會影響CMRR。
電流檢測放大器AD8210和AD8418的CMRR測量結果分別如表3和表4所示。
結果表明，額外外部串聯電阻的影響是AD8418 CMRR降低，而對AD8210 CMRR的影響相對較小。AD8418變為89 dB，AD8210則幾乎保持不變(94 dB)。對于固定增益器件，AD8418和AD8210的共模阻抗相對較高，分別為750 kΩ和5 MΩ。
表1. AD8210增益誤差
表2. AD8418增益誤差
表3. AD8210 CMRR性能(增益為20)
表4. AD8418 CMRR性能(增益為20)
表5. 由輸入失調電流和外部阻抗引起的AD8210額外失調電壓
表6. 由輸入失調電流和外部阻抗引起的AD8418額外失調電壓
失調電壓
當偏置電流流過外部電阻時，會產生一個與器件固有失調電壓串聯的誤差電壓。為了計算這一額外的失調電壓誤差，可將輸入失調電流(IOS，兩個輸入偏置電流之差)乘以輸入引腳上的外部阻抗，如以下等式所示：
其中：IOS為輸入失調電流。R為額外外部阻抗。基于AD8210和AD8418電流檢測放大器測量結果的失調電壓增加量分別如表5和表6所示。
結果顯示，AD8418失調電壓的增加量大于AD8210失調電壓的增加量。這是由AD8418約為100 μA的輸入失調電流引起的。輸入引腳串聯的任何額外阻抗都會與輸入失調電流結合，產生額外失調電壓誤差。
結論
在輸入引腳上增加額外的串聯電阻是保護電流檢測放大器免受過壓影響的簡單方法。可以測量對增益誤差、CMRR和失調電壓等性能指標的影響，這些影響與外部電阻的幅度和所用的電流檢測放大器類型直接相關。若設計得當，電路會改善應用的差分輸入電壓額定值，而元件數量增加非常有限，對精度的影響也非常小。
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