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电流检测放大器是一种特殊用途集成电路差分放大器

电子设计 2018-09-14 09:53 次阅读

在便携式、物联网和汽车设备及系统中,线路或电池供电的电子设备需要通过监控电源电流来控制配电,因此电源完整性和控制功能至关重要。电流检测是延长电池寿命、防止过流情况、监控接地故障和优化电源控制的关键。问题是需要在高共模电压下进行精确测量

电流检测放大器 (CSA) 或分流监控器是专为执行此类关键测量而设计的差分放大器 IC。电流测量的基本原理是将串联分流电阻器用作电流传感器,然后计算其上的电压降。这些分流器和相关电流检测放大器的选择与放置对于正确配电和高效率运行至关重要。

本文将说明如何根据精度要求和成本来选择分流器和电流检测放大器。

电阻器电流检测

测量电流的最简单方法是插入一个小电阻器(也称为分流器)与待测电流串联。测量电流检测电阻两端的电压,然后根据已知电阻值,利用欧姆定律计算电流。该方法具有简单、低成本和线性的优点。

电流检测电阻的选择必须关注电阻器精度、电阻温度系数 (TCR) 和额定功率。对于给定电流值,电阻值决定电阻两端的电压降。它还决定检测电阻的功耗。一般而言,检测电阻值远小于 1 Ω。市场上有专用电阻器用于这种应用。这些电阻器采用板、箔或膜形式的金属元件,或采用沉积的薄膜或厚膜混合元件。

金属表面贴装分流电阻器的示例之一是 Ohmite MCS3264R005FEZR 电流检测电阻(图 1)。该表面贴装器件 (SMD) 是一款双端子、5 mΩ 电阻器,额定功率为 2 W,TCR 为 50 ppm/°C。

Ohmite MCS3264R005FEZR 分流电阻器的图片

图 1:Ohmite MCS3264R005FEZR 是一款金属表面贴装 5 mΩ 分流电阻器。(图片来源:Ohmite)

分流电阻器也有四端子(开尔文)配置。在开尔文连接中,电流供应给一对源连接端子。另外两个检测连接(电压引线)紧邻分流电阻。电压引线的放置避免了与源极引线或触头相关的电压降。几乎没有电流流向测量仪表,因此检测引线中的电压降可忽略不计。Ohmite FC4TR050FER 是一款 50 mΩ、四端子金属箔分流器。

应当注意,由于电阻温度系数的存在,检测电阻的值会随温度变化而变化。选择低 TCR 的电阻器,使用高额定功率的电阻器,或采用散热器,都是降低温度对电阻影响的办法。

电流检测放大器

电流检测放大器是一种特殊用途集成电路差分放大器,设计用于检测分流器上产生的电压,并输出与被测电流成比例的电压。电流检测电阻两端的电压通常在 1 到 100 mV 范围内,但可能取决于标称总线电压电位。CSA 设计有高共模抑制比 (CMRR),以消除输出中的总线电压。这些器件能够处理超过其自身电源电压的共模电压。

图 2 是电流检测放大器的简化示意图,显示了一个具有反向和非反向输入以及单路输出的典型差分放大器。

典型电流检测放大器的简化示意图

图 2:典型电流检测放大器的简化示意图。增益由电阻器 R2 对 R1 和 R4 对 R3 的比值设置。(图片来源:Digi-Key Electronics)

电阻值设置 CSA 的增益。该结构是对称的,R1 = R3,R2 = R4。增益由 R2 对 R1 和 R4 对 R3 的比值确定。在典型 CSA 实施中,例如 Texas Instruments 的高性能 INA210CIDCKR,R2 和 R4 为 1 MΩ,R1 和 R3 为 5 kΩ,故增益为 200 V/V。此版本放大器的增益精度为 0.5%。该 IC 的额定电源电压为 2.7 至 26 V,但最大共模输入电压为 -3 至 26 V,与电源电压无关。这是 CSA 的关键区别性特征。输入失调电压仅为 35 μV,CMRR 典型值为 140 dB。

根据具体应用,Texas Instruments INA180B3IDBVR 可能是更经济的 CSA 选择。该 CSA 具有相同的共模输入电压范围,且可提供 20、50、100 和 200 V/V 的增益。增益精度为 1%,CMRR 为 100 dB,输入失调电压为 100 μV。

电流检测配置

电流检测拓扑有两种:高压侧检测和低压侧检测。高压侧配置将检测电阻放在电压源和负载之间,而低压侧检测将分流器放在负载和接地之间(图 3)。

高压侧与低压侧检测对比图

图 3:高压侧检测将分流器 (RSENSE) 置于电压源和负载之间,而低压侧检测将其置于负载和接地之间。(图片来源:Digi-Key Electronics)

低压侧检测以地电压为基准,具有低输入共模电压。这使得电流监控放大器和相关电路更简单,成本通常也会降低。

低压侧连接的缺点是它将负载提升到地电压以上。当电流值变化时,流过分流电阻器的电流会提升或降低系统基准电平。这可能导致控制回路出现问题。此外,这种电路配置无法检测到分流电阻器周围的电压总线的接地短路

高压侧拓扑的优点是负载和系统基准电压固定在地电压,与监控的电流无关,并且可以轻松检测到总线接地短路的情况。

缺点是,测量电路的输入端存在一个接近总线电压的共模电压。除了加压于电流检测放大器之外,在某些应用中,还可能要求下移 CSA 输出电平至接近系统基准电平。

与高压侧检测相关的问题促使业界开发了很多 CSA 系列产品。INA180 和 INA210 都是新型 CSA,可以处理 -3 至 26 V 的共模电压,无论电源电压是多少。它们适合电机控制、电池监控和电源管理等等应用。总线电压较高的应用可以使用其他提供高达 80 V 输入共模电压范围的 CSA。对于更高的电压,CSA 需要使用外部元件来将放大器与共模电压隔离,或者使用隔离放大器

选择检测电阻值

检测电阻值应保证在预期总线电流范围内,电阻上的电压降远高于 CSA 电压失调和任何加性垂直噪声。检测电阻的额定功率将由最大总线电流和最大电压降决定。

举个例子,12 V 总线预计承载最大 2 A 电流。若使用 INA210 CSA,分流器两端的电压降应大于最大失调电压 35 μV。

共模抑制比在 105 到 140 dB 的范围内。使用较低值 (105 dB),12 V 总线电位(共模电压)将被衰减至约 67 μV。它乘以放大器的增益后,将显示为 CSA 输出端的失调电压。此共模残留失调不是待测电流引起的,而且这种情况下的残留不会造成问题,因为它小于测量值的 1%。

检测电阻值的选择必须确保电压降远大于失调电压。对于 INA210(增益为 200)输出端的 2 V 单极性摆幅,输入应为 10 mV。这显著大于上述输入电压失调或共模残留。在标称最大电流 2 A 时,检测电阻值应为 5 mΩ。分流器的额定功率至少应为标称预期最大功耗 20 mW 的两倍。前述 Ohmite MCS3264R010FEZR 的额定功率为 2 W,因此可以使用。

利用 Texas Instruments TINA-TI 程序仿真此配置,我们可以看到电路的直流和交流传输特性(图 4)。直流传输特性显示出线性响应,斜率为 1 V/A。对于 2 A 最大电流,它将产生 2 V 输出。交流响应的带宽为 20 kHz。

Texas Instruments TINA-TI 电路仿真的图片

图 4:Texas Instruments TINA-TI 电路仿真,使用 5 mΩ 分流器,显示出斜率为 1 V/A 的线性直流传输特性。(图片来源:Digi-Key Electronics)

总结

电流检测放大器专门设计用于根据串联分流电阻器上的电压降来测量总线电流,特别适合于存在高共模电压情况下的高压侧测量。这些放大器易于选择,如果使用得当,它们可以出色地完成电子系统中的电源测量、监视和控制任务。

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BCM8324 四路低功耗单向10 GbE无参考CDR / EyeOpener®

BCM8724 双10千兆以太网XFI到XAUI和交易;收发器

完全集成的双序列化/反序列化(10.3125 Gb / s)接口设备,为10千兆位串行以太网协调子层(RS)接口执行扩展功能。   XGXS,PCS和PMA功能包括8B / 10B编码,64B / 66B编码,SerDes,时钟倍增单元(CMU)以及时钟和数据恢复(CDR)。片上时钟合成由PMD和XAUI&trade的高频,低抖动锁相环执行;输出重定时器。通过直接与其各自的输入数据流同步,在设备上执行单独的PMD和XAUI时钟恢复。提供弹性缓冲区以允许XAUI和PMD接口在异步配置中运行。参考时钟输入仅需要外部156.25 MHz振荡器。 功能 双XFI至XAUI 10 GbE收发器 完全集成CMU,CDR,SerDes,限幅放大器和EyeOpener™ 符合或超过IEEE 802.3ae 支持XFP / XFI和SFP +接口...
发表于 07-04 10:22 16次 阅读
BCM8724 双10千兆以太网XFI到XAUI和交易;收发器

BCM3405 多通道低噪声放大器(LNA)

Broadcom BCM3405是一款高度集成的多通道低噪声放大器(LNA),旨在大幅降低有线机顶盒和住宅网关中多种设计的复杂性和成本。   BCM3405支持三个带内通道,一个带外通道和一个旁路通道。 BCM3405与BCM3418相结合,可满足OpenCable和贸易的RF要求;规格。 BCM3405和BCM3418的组合通过消除在这些产品中分配信号所需的主要组件,显着降低了多工具应用的设计复杂性和成本。  功能 三个带内通道支持 一个带外通道和一个旁路通道 五通道分离,不会损失增益和噪声频率 显着简化前端设计 应用程序 家庭网关  机顶盒 ...
发表于 07-04 09:58 16次 阅读
BCM3405 多通道低噪声放大器(LNA)

MGA-62563 Broadcom MGA-62563电流可调低噪声放大器

这款E-pHEMT RFIC是一款易于使用的高线性度低噪声放大器,内置智能偏置功能。对于智能偏置功能,一个外部电阻用于设置器件在很宽的范围内采用的偏置电流。这允许设计人员在几个电路位置使用相同的部件,并根据每个位置定制线性性能和电流消耗。 适用于蜂窝/ PCS / W-CDMA基站,WLL,固定无线接入,无线LAN和0.1至3 GHz频率范围内的其他高性能应用的IF放大器或驱动放大器。特性 500 MHz 3V / 55mA时的典型性能为NF = 1.1dB,OIP3 = 32.5dBm,P1dB = 17.4dBm,Ga = 22dB...
发表于 07-04 09:58 0次 阅读
MGA-62563 Broadcom MGA-62563电流可调低噪声放大器

MGA-87563 3V LNA,4.5mA低电流,0.5-4GHz,SOT363(SC-70)

MGA-87是一款3V器件,在低至4.5GHz的低电流下具有低噪声系数。它采用微型SOT-363封装,专为3V低噪声放大器应用而设计。偏压:3V,4mA;增益= 14dB; NF = 1.5dB; P1dB = 0dBm; IP3i = -4均为2GHz。
发表于 07-04 09:56 10次 阅读
MGA-87563 3V LNA,4.5mA低电流,0.5-4GHz,SOT363(SC-70)

ADA-4643 硅双极达林顿放大器

ADA-4643是一款通用硅双极达林顿放大器,采用工业标准SOT-343(4引脚SC70)封装。该器件是电流驱动放大器,采用单电流供电。它还具有平坦增益,高线性度和无条件稳定性。特性 在900MHz时,ADA-4643在35mA时提供17.0dB的增益,28.3dBm的OIP3和13.4dBm的P1dB。 /3.5V偏置。内部输入和输出50欧姆匹配使其易于使用,设计工作量很小,使其成为无线通信市场中频,缓冲和通用放大器的绝佳选择。...
发表于 07-04 09:56 2次 阅读
ADA-4643 硅双极达林顿放大器

MGA-31816 0.1W高线性度驱动器放大器

Broadcom’ MGA-31816是一款高线性度驱动器MMIC放大器,采用标准QFN 3x3 16引脚塑料封装。  MGA-31816特别适用于1.5GHz的50欧姆无线基础设施应用。 至少4GHz频率范围。 特性 低直流偏置功率下的极高线性 增益平坦度高的增益 符合RoHS标准 良好的噪音图 无卤素 高级增强型E-pHEMT技术 标准QFN 3X3封装 MSL-1和无铅 应用程序 无线基础设施
发表于 07-04 09:56 16次 阅读
MGA-31816 0.1W高线性度驱动器放大器

ADA-4789 采用SOT-89封装的硅双极达林顿放大器

ADA-4789是一款低成本,高线性度的硅双极达林顿放大器,采用Broadcom公司制造。 HP-25硅双极工艺,具有25 GHz fT和30 GHZ fmax。 达林顿反馈结构提供固有的宽带宽性能,从而产生高达2.5 GHz的有用工作频率。它也很容易使用,因为它的输入和输出匹配到50欧姆。特性 高线性度32.6dBm(60mA),在900MHz时为33.2dBm(80mA)& 2GHz时28.8dBm 平坦,宽带频率响应高达1GHz 低热阻(52摄氏度/瓦) 内部50欧姆匹配 单电流供电 应用 IF放大器&用于蜂窝基站的预驱动放大器 CATV分配/降压放大器...
发表于 07-04 09:53 24次 阅读
ADA-4789 采用SOT-89封装的硅双极达林顿放大器

MGA-52543 5V LNA,32dBm OIP3,0.4-6GHz,SOT343(SC-70)

MGA-52543是一款易于使用的5V高线性度低噪声放大器,采用Broadcom领先的PHEMT技术。  该设备非常理想基站设计中的LNA或驱动级,以及450 MHz至6 GHz频率范围内的其他高线性度低噪声应用  2 GHz 5V / 53mA时的典型性能为NF = 1.6 dB,OIP3 = 32dBm,P1dB = 17dBm,Ga = 14dB。
发表于 07-04 09:53 22次 阅读
MGA-52543 5V LNA,32dBm OIP3,0.4-6GHz,SOT343(SC-70)

MGA-665P8 0.5-6GHz低噪声放大器

MGA-665P8低噪声放大器专为0.5-6GHz频率范围内的无线应用而设计。 At 5.25GHz,3V,20.5mA(典型值) 1.45dB NF 16dB增益 18.1dBm OIP3
发表于 07-04 09:53 28次 阅读
MGA-665P8 0.5-6GHz低噪声放大器

LPD3035-4 32 Gb / s InGaAs,1×4阵列PIN光电二极管,具有250-μmGSG通道间距

LPD3035-4是一款高性能1倍和4基于InGaAs的PIN光电二极管阵列,提供四通道高响应度,低暗电流和低电容,适用于高带宽,高性能光接收机设计。光电二极管的低寄生效应使其成为高速,单模,4x28Gb / s应用的理想选择,与当今高性能4x28Gb / s四通道跨阻放大器(TIA)相结合。
发表于 07-04 09:47 12次 阅读
LPD3035-4 32 Gb / s InGaAs,1×4阵列PIN光电二极管,具有250-μmGSG通道间距

LPD3012-4 10 Gb / s至14 Gb / s InGaAs,1×4阵列PIN光电二极管,通道间距为250μm

LPD3012-4-32是一款基于InGaAs的高性能PIN光电二极管阵列,提供4通道32um顶部照明检测窗口,带宽高达12GHz每个频道。该产品具有高响应度,低暗电流,低电容和出色的可靠性。光电二极管的低寄生效应使其成为高速,单模,4x25Gb / s应用的理想选择,与当今的高性能4x25Gb / s四通道跨阻放大器(TIA)结合使用
发表于 07-04 09:47 17次 阅读
LPD3012-4 10 Gb / s至14 Gb / s InGaAs,1×4阵列PIN光电二极管,通道间距为250μm

Maxim发布支持PWM抑制的双向检流放大器MAX40056

Maxim宣布推出MAX40056双向电流检测放大器,专有的脉宽调制(PWM)抑制技术帮助工程师提高....
发表于 07-03 19:02 141次 阅读
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SD3038B高效率恒流限流白光LED驱动的数据手册免费下载

SD3038B是一种输入电压范围宽(0.8~5.5V), 可调恒定电流和限定电流两种模式来 驱动白光....
发表于 07-03 08:00 70次 阅读
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反相放大器电路的构成及应用

集成运算放大器按照输入方式可以分为同相、反相、差分三种接法,按照输入电压与输出电压的运算关系可以分为....
的头像 牵手一起梦 发表于 07-02 13:59 263次 阅读
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放大器电路常见问题

最常遇到的一个应用问题是在交流(AC)耦合运算放大器或仪表放大器电路中没有提供偏置电流的直流(DC)....
的头像 发烧友学院 发表于 07-01 16:27 310次 阅读
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UC284X和UC384X系列电流模式脉宽调制控制器的数据手册免费下载

UC3842/3/4/5控制系列提供了实现离线或直流-直流固定频率电流模式控制方案所需的功能,外部部....
发表于 07-01 08:00 46次 阅读
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AD转换要经过的过程和ADC的原理及分类说明

在仪器仪表系统中,常常需要将检测到的连续变化的模拟量如:温度、压力、流量、速度、光强等转变成离散的数....
的头像 电子工程技术 发表于 06-30 10:50 579次 阅读
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电荷放大器的原理简析

众所周知,放大器是一种对各参量进行放大的仪器,因此电荷放大器字面就可理解为放大电荷的仪器。
发表于 06-29 11:43 113次 阅读
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运算放大器常见问题解答

双电源供电的放大器能否用于单电源配置?如何防止过压?如何解释放大器的负载电流规格?使用高阻抗源的噪声....
的头像 电机控制设计加油站 发表于 06-29 10:51 463次 阅读
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运算放大器使用的注意事项

运算放大器是作为最通用的模拟器件,广泛用于信号变换调理、ADC采样前端、电源电路等场合中。虽然运放外....
发表于 06-28 17:40 158次 阅读
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COMS模拟集成电路的一些学习资料免费下载

MOS管有N沟和P 沟之分,每一类分为增强型和耗尽型,增强型MOS管在栅- 源电压vGS=0时,漏-....
发表于 06-28 14:56 76次 阅读
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电子电路知识 各种放大器电路分析

放大电路,是使用最为广泛的电子电路之一,是构成其他电子电路的基础单元电路。就是将输入的微弱信号(包括....
发表于 06-27 14:40 198次 阅读
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雅特思的HiFi蓝牙耳机放大器

那么,有的人可能会问,不是有手机吗?还要这HiFi蓝牙放大器做什么?其实不然,大家都知道,对于现在的....
发表于 06-26 17:44 86次 阅读
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使用放大器可提高音响系统的质量

有时,您无法从汽车音响中获得您想要的声音质量。如果你感到失望,你可能只需要一点放大。
发表于 06-26 17:41 120次 阅读
使用放大器可提高音响系统的质量

关于低频放大器的一些知识点

超外差式收音机的低频放大器,包括电压放大器和功率放大器(又称电力放大器)两个部分。
发表于 06-26 14:26 102次 阅读
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