基于max4080检流放大器的的失调电压设计

发布时间:7/9/2012 | 62 次阅读

  引言

  检流放大器是广泛用于电子设备实时监测负载电流的成熟ic。系统控制器根据负载信息进行电源管理运算,以更改负载电流本身的特性,并可提供灵活的过流保护方案。

  检流放大器在放大微弱的差分电压的同时能够抑制输入共模电压,该功能类似于传统的差分放大器,但两者有一个关键区别:对于检流放大器而言,所允许的输入共模电压范围可以超出电源电压(vcc)。例如,当max4080检流放大器工作在vcc = 5v时,能够承受76v的输入共模电压。采用独立的放大器架构,电流检测放大器不会受电阻不匹配造成的共模抑制(cmrr)的影响。max4080具有100db (最小值)的直流cmrr,而基于传统运放的差分放大器则受cmrr限制,其有效输入vos通过信号链路是被放大。

 

  通过校准提高精度

  max4080检流放大器具有精密的输入失调电压(vos),25°c时最大值为±0.6mv,在整个-40°c至+125°c温度范围内,最大值为±1.2mv。但是,许多应用需要更高的电流测量精度,因此需要对输入vos做进一步校准。这种校准通过在生产过程中测量vos并将结果存储在固件中实现。利用所存储的数据,当设备在现场投入实际使用时,可以在数字域调整vos。

  为便于生产,校准的首选方案是:在负载电流为零(零输入差分电压)时测量vos。可以测量输出vos并在以后的测量数据中减去该电压。不幸的是这种方法存在一个缺点,由于vol (最低输出电压)和输入vos相互影响,输出电压可能无法精确地反映输入vos。所有单电源供电放大器均存在这一问题。

  以增益为20的max4080t为例,并假设输入vos为零,此时放大器输出的测量值应该为零。而实际情况是:即使在零输入差分电压下,放大器也不能保证输出电压低于15mv (10μa吸电流)。如果直接把测量到输出电压用于vos校准,放大器的输入vos为0.75mv (15mv/20 = 0.75mv)。

  同样,如果max4080t具有vol = 0,则正电压输入vos应该产生正的输出vos。而负电压输入vos则不会“反映到”输出端,因为放大器不能产生低于地电位的输出电压。这样,在零输入差分电压下,不能通过“直接”测量输出电压来校准输入vos。

  生产过程中,有两种方法校准vos

  双向检流放大器具有内部基准,例如:max4081具有1.5v基准,能够将输出测量电压偏置在1.5v,这样,输入差分电压为零时,输出为1.5v ±vos,引入误差。1.5v电压高于放大器的vol,不会影响误差分析。可通过测量输出电压与1.5v理论电压之差计算得到vos误差。但是,这种方法有一个缺点:降低了动态范围。对于0至5v输入动态范围的adc器件,动态范围降低了30%,输出范围为1.5v至5v。另外,这种方法需要使用价格较高的双向检流放大器,用于单向测量。最后,利用一个低漂移1.5v基准或额外的一个通道的目的只是为了测量该1.5v基准电压,设计人员很难接受这种方案。

  两点测量法对检流放大器施加两个已知的差分输入电压(负载电流)。首先,基于测量电压,利用直线逼近法在图表上外推出零检流电压对应的输入vos。然后,利用电压测量值进行校准。这种方法的缺点是:需要提供两个“已知”的精密电流值,生产中很难得到这样的电流,同时还增加了测试时间。最后,需要注意的是:对于接近零的差分输入电压,很难得到精确的测量值,因为在极小的检测电压下,vol限制会产生误差。

  利用输入电阻调整输入vos

  本应用笔记介绍了第三种检流放大器输入vos的测量方法。同样以max4080为例,作用一个零输入差分电压,能够抵消vol与vos间的相互影响—可以方便地用于生产线测试。

  所有的检流放大器都具有输入偏置电流,必须慎重使用输入电阻(例如,作为输入滤波器的一部分),因为电阻会引入不确定的增益和失调误差。应用笔记3888:“带有输入串联电阻的电流检测放大器的性能”讨论了上述问题。本文采用类似技术,但特意选择不匹配的输入电阻,以引入额外的输出vos。max4080的偏置电流可进行温度补偿,整个工作范围内偏置电流为5μa (典型值)和12μa (最大值)。在rs-串联一个2kω电阻(图2),以产生典型值和最大值分别为10mv和24mv的输入vos。所引入的vos产生相应的输出失调范围为200mv (典型值)和480mv (最大值),足以克服max4080 vol和vos的限制。输入电阻引入的误差vos与温度有关,取决于输入电阻的温漂特性(通常为100ppm)和偏置电流(忽略不计)。

 

  在100°c温度变化范围内,+100ppm电阻温漂特性将产生+1%的阻值变化(即+20ω)。这样,输入电阻产生的附加输入vos漂移典型值约为+0.1mv,最大值为+0.24mv (整个偏置电流变化范围内)。而这一温漂值在没有进行校准的情况下仅占输入vos双向误差(±0.6mv)的20%,在没有校准的情况下这是一个可以接受的结果。

  进一步减小串联输入电阻可减小漂移误差。假设整个温度范围内具有15mv的vol和±1.2mv的输入vos,附加输入vos的最小值必须为1.2mv + 15mv/20 = 1.95mv ≈ 2mv。max4080忽略了测试放大器本身的vos温漂,测量到的vos温漂由输入电阻和其ppm温漂产生。

  带有输入电阻和不带输入电阻情况下的温度测试结果

  vos -40°c +25°c +85°c +125°c

  no input resistors -0.015mv 0mv -0.005mv -0.01mv

  2kω in series with rs- 9.69mv 9.73mv 9.76mv 9.80mv

  结论

  本应用笔记介绍了一种校准输入失调的方法,该方法通过适当调整输入电阻在检流放大器max4080中引入一个已知的输入vos。设备制造商可以在生产过程中利用这种方法校准零输入电流下的vos,提高实时测量精度。

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