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电流检测放大器共模阶跃响应

august 11, 2020 | 标签: z6尊龙凯时集团的解决方案

电流检测放大器是亚德诺半导体技术有限公司(analog devices, inc.)的其中一款专用放大器，用于存在大共模电压的情况下放大较小的差分信号。电流检测放大器的一个典型应用是放大分流电阻器上的电压。adi提供多种电流检测放大器，其可在低至1.8v的电源电压下工作，并可耐受高达600v的输入共模电压。

表1. adi的电流检测放大器的电源电压和输入共模电压

产品型号	v_电源		输入共模电压
产品型号	最小值	最大值	最小值	最大值
	1.8 v	5.5 v	1.8 v	5.5 v
	2.4 v	10 v	−24 v	24 v
	2.5 v	18 v	−40.5 v	40.5 v
	4 v	36 v	−45.3 v	40.5 v
	4.5 v	5.5 v	−2 v	65 v
	4.5 v	5.5 v	−4 v	65 v
/	2.7 v	5.5 v	−2 v	70 v
	4.5 v	36 v	−120 v	120 v
	5 v	36 v	−270 v	270 v
	5 v	36 v	−600 v	600 v

许多应用都采用分流电阻，其共模电压与时间成函数关系。具有可变共模电压的部分分流应用事例有：h桥电机驱动器、电磁阀控制器、dc-dc开关转换器。在这些应用中，电流检测放大器获得的共模电压以pwm方式变化，范围为电池电压到接地电压。

理想的电流检测放大器不会对输入共模变化作出反应。但事实上，电流检测放大器具有有限的共模抑制能力，通常在直流电下指定，数值约为100µv/v或80db。

表2. adi电流检测放大器的cmrr

产品型号	cmrr(db)
	65
	76
	80
	80
	82
/	86
	90
	100
	120
	140

除了由直流共模抑制比(cmrr)引起的输出误差外，此外还存在交流共模抑制比以及放大器共模阶跃响应相关的误差。本应用笔记重点讨论电流检测放大器的共模阶跃响应¹。

理想情况下，无论输入端实际值（即共模电压）如何，电流检测放大器均根据其输入的差异产生输出。然而，在实际使用中，放大器输出可能会在其输入的不同共模电平下发生改变。随变化的共模输入而改变的输出称为共模阶跃响应。

在输入共模电压变化较大的应用中，放大器的共模阶跃响应可能尤为重要；当放大器从输入共模电压的改变中恢复时，放大器输出可能会由于新的共模电平导致产生新的失调而归于无效。因此，放大器较长的建立时间（以及在此期间的较大误差）可能会严重降低放大器的动态性能。

共模阶跃响应测量

电流检测放大器非常难以实现极快速、极精确的共模阶跃响应它需要具有非常稳定而快速的源、完全屏蔽的连接器，以及正确设计的电路。该测量的基本功能框图如图1所示。

pwm输入

采用波形发生器产生0hz至100khz的pwm信号频率，并将其用作mosfet驱动器的输入信号。

mosfet驱动器

该驱动器向mosfet注入高电平电流以实现极高速开关性能，从而消除过多的热耗散。驱动器提供的电流范围为几百ma甚至几a。

mosfet

驱动器输出正电压，因此采用n沟道功率mosfet。这类mosfet能耐受高达100v的电压，上升和反向恢复时间典型值分别为35ns和115ns。此外，这些mosfet还具有44mω ron（足够保持信号完整度），并可耗散高达130w的功率。这些mosfet的输出用作电流检测放大器的共模输入电压(vcm)。

电流检测放大器

电流检测放大器可在大共模电压存在的情况下放大较小的差分信号。本应用笔记中测试的电流检测放大器具有高达80v共模电压，采用5v的单电源供电。

共模阶跃响应

电流检测放大器输出产生共模阶跃响应波形。该响应可能在上升沿或下降沿表现为带有正尖峰或负尖峰的波形，具体取决于起主要作用的是反相输入还是同相输入。

共模阶跃响应测量的简化原理图如图2所示。在本原理图中，采用的电流检测放大器为。

图 1：功能框图

图 2：电流检测放大器共模阶跃响应测量简化原理图（未显示去耦和所有连接）。

共模阶跃响应结果

对分流电路中配置的多个亚德诺半导体电流检测放大器进行评估，然后与竞争对手提供的最受欢迎的电流检测放大器进行比较。是进行评估的第一款电流分流监测器，它是一种单电源双向电流检测放大器，可耐受−2v至 65v共模电压。该器件的基准电压引脚(vref)用来调节输出失调，固定增益为20。

此外，还评估了双向差动放大器；该放大器配置为分流放大器。 5v电源时，它能耐受−4v至 65v共模电压； 3.3v电源时，它能耐受−4v至 35v共模电压。该器件还具有零漂移内核，可提供低于500 nv/°c的典型失调漂移，以及低于10ppm/°c的典型增益漂移。它还具有20的固定增益。

另外，还评估了和。这两个电流检测放大器具有零漂移内核，能在整个工作温度范围内实现0.1μv/°c典型失调漂移，共模电压范围为−2v至 70v。这两款放大器完全符合汽车应用规范（包括电磁干扰(emi)滤波器和专利电路），在脉冲宽度调制(pwm)类输入共模电压下具有高输出精度。

图3显示 60v输入共模电压下，adi各种电流检测放大器与竞争对手产品的波形比较。

图3：电流检测放大器的共模阶跃响应测量（采用adi产品以及采用竞争对手产品）

共模阶跃响应测量技术

为了产生精确的电流检测放大器共模阶跃响应，应考虑连接、所用的元器件以及元器件位置。

连接

连接器引脚——比如电源、波形发生器、输入/输出、示波器探头和其他接口连接器上的引脚——应尽可能靠近受测器件(dut)，避免在导线中引起噪声和干扰。

接地连接应当只在一点处相交，称为单点接地，从而避免由于系统中具有不同接地电位导致接地环路问题。

示波器探头接地不使用鳄鱼夹，而是采用探头顶部接地（形状像线圈）并将其插入探头。如果探头顶部不可用，则用固体导线或单股导线做成一个线圈，然后焊接到探测点旁边（电流检测放大器的输入和输出引脚），以便仅测量所需信号，消除可能导致干扰振铃或尖峰的感应噪声。

使用的元器件

应在电源处加入一个旁路电容，降低电路中的纹波电压；不要将其视为理所当然。陶瓷电容能够很好地完成这一工作，因为它们具有高稳定性、高效率以及低损耗。

由于本应用笔记中使用 60v输入共模电压，mosfet驱动器的负载电阻应当具有较大的额定功率，以便耐受高电流。

mosfet应当具有较短的反向恢复时间，以便最大限度地降低mosfet二极管频繁充放电造成的损耗。

元件放置

mosfet驱动器电路由包括mosfet在内的分立式器件组成，而电流检测电路应当尽可能靠近mosfet驱动器放置，以便最大限度地降低交流阻抗，避免长走线产生噪声或干扰。

经测试和验证表明，adi电流检测放大器的过冲或欠冲不足700mv。竞争对手的产品过冲几乎达到2v。就输入共模电压上升沿和下降沿来说，本应用笔记中描述的adi电流检测放大器相比竞争对手的产品可以更快地稳定下来。此外，这些放大器可抑制高达 60v的极高输入共模电压。由于相比竞争对手的产品具有这些优势，adi电流检测放大器对于防止电路故障、防止电池过度放电以及保持某些系统的正常运行非常实用；这些系统有：电池监控器、功率调节器、电动汽车、发生器和电机控制。