一文解析电流检测放大器的共模阶跃响应

　　电流检测放大器是亚德诺半导体技术有限公司（AnalogDevices，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。

　　

　　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。

　　

　　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。

　　共模阶跃响应

　　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44mΩRON（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AD8210。

　　

　　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。AD8210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AD8207；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500nV/°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AD8418和AD8418A。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。

　　

　　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。

　　结论

　　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。