了解电阻电流检测中的放大器失调电压和输出摆幅

放大器的输入失调电压如何影响电流检测电阻的测量精度？放大器输出摆幅如何影响分流电阻值？在此技术文章中了解这一点以及更多信息。

在之前的文章中，我们讨论了基于运算放大器的放大器以及专用电流检测放大器可用于提高电流检测电阻两端的电压。这些扩增级并不理想，可能会在我们的测量中引入误差。

在本文中，我们将讨论放大器输入失调电压如何影响测量精度。我们还将看到，放大器输出摆幅可能是选择分流电阻值时的关键因素。

输入失调电压

理想情况下，当差分放大器的两个输入完全处于相同的电位时，其输出应为零伏。然而，实际上，当输入之间的电压差很小时，输出变为零伏。这种非理想性源于放大器内部元件之间的固有不匹配。

放大器输入端子之间必须施加的电压使其输出电压达到零伏，称为输入失调电压。为了模拟这种非理想效应，我们可以将一个电压源与其中一个放大器输入串联，并假设放大器是理想的并且具有零失调电压。如图

1 所示。

图1

在图1中，灰框内的电路代表一个集成电流检测放大器。由于失调电压由外部电压源V建模 抵消 ，假设灰盒内的电路具有 0V 的失调电压，即 V 一个 = V~B~~ ~我们有V 外 = 0。失调电压的极性可以是正极或负极。

放大器失调电压误差

考虑图2所示的高端电流检测图。

图2

放大器实际上检测节点A和B之间的电压。 假设差分增益为A。d对于放大器，我们有：

[V_{out} = A_d(V_A - V_B) = A_d(V_{offset} + V_{shunt})]

如果 V抵消与 V 相当 分流 ，则错误可能很大。例如，使用 V 抵消 = V 分流 ，误差为 100%，计算如下：

[Percentage~Error = \\frac{V_{sensed} - V_{shunt}}{V_{shunt}} \\times 100% = \\frac{(V_{offset} + V_{shunt}) - V_{shunt}}{V_{shunt}} \\times 100% = 100%]

当 V分流是最低要求。因此，为了从失调电压中找到最坏情况的误差，我们应该考虑负载电流I的最小值 负荷 .

我们如何减少此错误？

对于给定的负载电流范围，我们可以增加分流电阻值以获得更大的V分流和/或使用失调电压较小的放大器。

但是，应该注意的是，增加分流电阻值会增加电阻的功耗。此外，更高功率的电阻器更昂贵，并且需要更大的电路板面积。

确定分流电阻器的值

如上所述，测量范围低端的精度与分流电阻的功耗之间存在权衡。通过选择大分流电阻器，可以最大限度地提高精度。

然而，在高电流精密应用中，电流检测电阻的功耗会限制可以使用的最大电阻值。在这种情况下，我们可以选择 R 的最大值分流基于其最大允许功耗。如果分流电阻器预算的最大功耗为P .max ，最大分流值可由下式计算：

R 的最大值分流也可以通过放大器输出摆幅限制为正电源轨。放大器的摆幅限制取决于用于为放大器供电的电源电压以及放大器的输出级。

虽然轨到轨放大器的输出可以非常接近电源轨，但实际上无法到达电源轨。即使使用轨到轨放大器，输出摆幅也可能被限制在与电源轨相距数百毫伏的范围内，具体取决于技术。

放大器的输出摆幅限制还取决于流过输出级的电流电平。必须查阅放大器数据手册，以确定放大器输出端的可用摆幅。

如果 V输出，最大是放大器输出级保持在其线性工作区域的最大电压，则最大分流值可由下式计算：

我们还可以找到R的下限分流通过考虑输出摆幅至负电源轨。如果 V出，分钟是保证放大器处于其线性工作区域的最小输出电压，我们可以找到R 的最小值分流如：

分流电阻值计算示例

假设我们需要监控 40 mA 和 1 A 之间的负载电流。放大器的增益为 50， V 输出，最大 = 4.9 V 和 V 出，分钟 = 100 mV。假设应用没有限制分流电阻的功耗，R的值是多少分流我们需要吗？

为了最小化放大器失调电压的误差，我们应该选择R的最大值 分流 .应用等式1，我们得到：

使用公式 2，我们可以找到 Rshunt 的最小值为：

应选择此范围内的最大标准值，以最小化失调误差。选择合适的 Rshunt 值后，我们可以通过应用以下公式来评估偏移误差：

为了将误差降低到所需水平，我们需要选择具有足够低输入失调电压的放大器。

我想提请你注意一个微妙的点。考虑到放大器的输出摆幅限制，失调电压定义是否存在矛盾？

失调电压定义为必须在放大器的输入端子之间施加的差分电压，以使其输出电压达到零伏;但是，单电源放大器的输出不能真正摆动到地电位。

在测量非常小的电流时，这些细节可能很重要。

确定单电源放大器的失调电压

如上所述，当放大器的负电源轨接地时，其输出只能接近地电位。如图 3 所示。

图3

在此图中，蓝色曲线表示放大器输出与施加到输入端的差分电压的关系。

对于非常小的差分输入值，输出电压达到V 出，分钟 .由于输出不低于 V 出，分钟 ，我们不能直接测量V 抵消 .

相反，我们可以将一条线拟合到线性工作区域中的传递函数曲线，并将这条线与水平轴的交点视为放大器的输入失调电压。您可以想象，如果放大器是理想的，虚线将穿过原点。

现在，我们可以找到虚线的公式并确定失调电压。如果输出为 V输出1和 V输出2当输入分别为 V 时差异1和 V 差异2 ，我们可以找到V抵消如：

我们可以使用单电源放大器来测量非常小的电流吗？

由于放大器的输出摆幅限制，使用单电源放大器测量接近零的负载电流可能会引入不可接受的误差。如图 4 所示。

***图4. *图片由德州仪器提供。

为避免此问题，德州仪器 （TI） 的参考设计“0-1A、单电源、低侧、电流检测解决方案参考设计”使用 LM7705 反相电荷泵为放大器的负电源轨产生

-0.23V 电源。该参考设计基于分立解决方案，该解决方案使用运算放大器和外部增益设置电阻，如图5所示。

***图5. *图片由德州仪器提供。

根据上述基准电压源，负电源必须至少比系统地电压低100 mV，以确保放大器具有低至0 V的线性输出。

另一种能够测量小电流的技术如图6所示。

图6

在这种情况下，V裁判用于将直流值添加到输出电压中。传递函数将更改为：

该技术还可用于通过单电源放大器检测双向负载电流（正负载电流和负负载电流）。根据所需的电流范围，V 的适当值裁判应该选择。

结论

放大器输入失调电压会影响测量范围低端的精度。为了减小这个误差，我们应该最大化分流电阻值。

但是，分流值可能受到预算功率和放大器输出端可用摆幅的限制。在测量接近零的负载电流时，输出摆幅限制也会引入误差。