调整检流放大器的失调电压提高电流测量精度

调整检流放大器的失调电压提高电流测量精度

一些应用中需要对检流放大器的输入失调电压(V_OS)进行校准，以提高电流测量精度。但是，受放大器最小输出电压(V_OL)和输入V_OS的影响，校准并非一个简单过程。本应用笔记讨论了一种“调整”单向检流放大器输入V_OS的简单方法。利用这一方法测量输入V_OS时不受V_OL的限制，并且能够提高整体电流测量精度。以MAX4080检流放大器为例对这项技术进行探讨。

类似文章发表于2009年12月的电子工程专辑。

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(V_CC)。例如，当MAX4080检流放大器工作在V_CC = 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V_OS通过信号链路是被放大。


图1. MAX4080高精度单向电流检测放大器

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(V_OS)，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V_OS做进一步校准。这种校准通过在生产过程中测量V_OS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V_OS。

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V_OS。可以测量输出V_OS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V_OL (最低输出电压)和输入V_OS相互影响，输出电压可能无法精确地反映输入V_OS。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V_OS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V_OS校准，放大器的输入V_OS为0.75mV (15mV/20 = 0.75mV)。

同样，如果MAX4080T具有V_OL = 0，则正电压输入V_OS应该产生正的输出V_OS。而负电压输入V_OS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V_OS。

生产过程中，有两种方法校准V_OS：

1. 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 ±V_OS，引入误差。1.5V电压高于放大器的V_OL，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V_OS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。
   
   
2. 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V_OS。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，V_OL限制会产生误差。

利用输入电阻调整输入V_OS

本应用笔记介绍了第三种检流放大器输入V_OS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V_OL与V_OS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V_OS。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V_OS。所引入的V_OS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 V_OL和V_OS的限制。输入电阻引入的误差V_OS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)。


图2. MAX4080配置中在RS-端串联了一个外部2kΩ电阻

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V_OS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V_OS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V_OL和±1.2mV的输入V_OS，附加输入V_OS的最小值必须为1.2mV + 15mV/20 = 1.95mV ≈ 2mV。表1列举了整个温度范围内的测试结果。MAX4080忽略了测试放大器本身的V_OS温漂，测量到的V_OS温漂由输入电阻和其ppm温漂产生。

表1. 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V_OS。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V_OS，提高实时测量精度。