直流误差预算计算器简化了最佳电流检测放大器的选择

本文介绍一种计算电流检测放大器（CSA）总直流误差预算的系统方法。讨论了各个误差源，并提出了估计总误差预算的方法。最后，分步过程解释了如何使用计算器软件，该软件旨在帮助快速计算所选CSA的总误差。

介绍

集成电流检测放大器（CSA）经常用于测量电子电路中的电流。它们放大插入电流路径中的检测电阻上的小压降，以执行关键的系统级功能。示例包括过流保护和监控器件、可编程电流源、线性和开关模式电源、电池充电器和电量计。虽然所需的电流检测规格和实现方案与这些应用本身一样多种多样，但分析CSA误差预算是每个设计的基本组成部分。在为应用选择合适的器件时，彻底了解CSA误差规格及其相互作用将证明非常有帮助。毋庸置疑，这种理解也将最大限度地减少最后一刻的设计迭代。

本文讨论 CSA 误差源，并概述估算总误差预算的方法。分步过程解释了如何使用Maxim Integrated开发的计算器软件。该软件通过简单的基于Web的GUI，确定任何选定的Maxim CSA的总直流误差预算。应用示例将使读者熟悉计算器的基本操作。设计提示和消息标志将提醒您任何与CSA规范不一致的电路条件。

电流检测放大器中的误差源

CSA 中普遍存在多种直流误差源。每个都经过简要回顾。

输入失调电压

与运算放大器类似，输入失调电压（V操作系统） 定义为必须施加在 CSA 输入端以将输出电压驱动至零的电压。失调误差通常不直接测量，因为在单电源情况下，CSA的输出不能低于输出电压低（V老） 限制。因此，输入 V操作系统更准确地推断为观察到的 V 的线性回归之间的交集外和 V意义V上的传递曲线意义轴如图1所示。

图1.输出电压与检测电压的关系图用于确定失调电压。

如果 V输出1是用V测量的输出电压意义= V感1，如果 V输出2是用V测量的输出电压意义= V感2，然后 V操作系统可以用以下公式计算：

 

（公式1）

 

CSA中由输入失调电压引起的折合到输出端的失调误差由下式表示：

 

ERRORVOS = G × VOS

（公式2）

 

其中G = 放大器的预期增益。

最小化失调电压误差成分的一种方法是选择较大的检测电阻值。较大的值产生更高的检测电压，从而减少误差预算中的失调电压误差分量。但是，有一个警告。选择外部 R意义电阻是电阻两端可接受的压降或功耗与CSA失调误差之间的微妙平衡。对于无法使用较大检测电阻的高电流精密应用，精密CSA可能是更好的选择。

增益误差

增益误差定义为观察到的差分增益相对于CSA的理想差分增益的百分比偏差。理想增益要么在内部固定，要么由外部电阻之比设置。

从图1中观察到的增益为：

 

（公式4）

 

因此，增益误差测量传递函数的观测斜率相对于理想斜率的百分比偏差。

增益误差分量产生的折合输出误差指定为：

 

（公式5）

 

增益非线性

完全线性的CSA在传递曲线中表现出恒定的斜率。通常，如果输出摆幅在线性区域内，则与失调和增益误差相比，增益非线性可以忽略不计。（此区域将由 CSA 数据手册上的输出电压高和输出电压低规格指定。因此，在计算总误差预算时，可以安全地忽略增益非线性误差。

共模抑制比

共模抑制比（CMRR）衡量CSA抑制两个输入共有的输入信号变化的能力。数据手册中的CMRR规格通常是指输入。CMRR 由以下公式定义：

 

（公式6）

 

共模输入电压变化的最大输出折合误差指定为：

 

ERRORCMRR = G × Maximum [Abs Value (Min VCM - Data Sheet VCM), Abs Value (Max VCM - Data Sheet VCM)] × 10-CMRR/20

（公式7）

 

地点：
数据表 V厘米= 共模电压，数据手册中描述了CSA的增益误差和失调误差。
最小 V厘米= 施加在用户电路中的最小共模电压。
最大 V厘米= 施加在用户电路中的最大共模电压。

电源抑制比

电源电压抑制比 （PSRR） 测量 CSA 抑制电源电压任何变化的能力，V抄送.数据手册上的PSRR规格通常参考输入端，以便将其影响与施加的差分信号进行比较。电源电压变化导致的最大输出折合误差指定为：

 

ERRORPSRR = G × Maximum [Abs Value (Min VDD - Data Sheet VDD), Abs Value (Max VDD - Data Sheet VDD)] × 10-PSRR/20

（公式8）

 

其中：
数据手册VDD = 电源电压，数据手册中描述了CSA的增益误差和失调误差。
最小VDD = 用户电路中施加的最小电源电压
最大VDD = 用户电路中施加的最大电源电压

检测电阻容差

由于大多数CSA使用外部检流电阻，因此在计算总误差预算时还必须考虑检测电阻的容差。使用容差严格的电阻器来最小化此误差分量。此外，对于大电流应用，强烈建议使用4线开尔文连接电阻以获得最佳效果。

检测电阻容差折合到输出端的误差由下式给出：

 

（公式9）

 

输出电阻容差

带电流输出的CSA（如MAX9934）通常与终端电阻配合使用，将输出电流转换为电压。电流输出具有显著优势：多个CSA可以在同一端接电阻上多路复用。电流输出架构的另一个优点是，如果输出电阻端接至ADC地，则CSA相对不受接地反弹误差的影响。然而，输出电阻容差是总误差计算中必须考虑的另一个元件。输出电阻容差的误差为：

 

（公式10）

 

其中 GM= 跨导增益。

系统错误预算

设计人员经常发现使用最坏情况的方法来计算CSA的总误差很诱人。在这种方法中，总误差计算为所有单个误差源的简单总和。虽然最坏情况方法保证永远不会超过误差限值，但它通常会产生过于保守和不准确的估计。在最坏情况下的方法中做出的一个隐含假设是，所有单独的误差源都是相关的，并且具有相同的极性。

另一种方法是平方根和 （RSS） 分析。在这里，总误差是单个误差的平方和的平方根。RSS 基于这样一个事实，即在添加随机（正态分布或高斯）测量的两个分布时，结果分布的标准差等于初始分布标准差平方和的平方根。当各个错误源不相关时，RSS 方法比最坏情况方法更现实，例如在 CSA 的情况下。如果使用保证的单个错误的最坏情况数，则 RSS 分析会产生最合理的结果。

关于 RSS 方法的一个有趣事实是，尽管它导致的总误差大于单个误差项，但主导误差项通常会使所有其他项黯然失色。

使用RSS方法，电压输出CSA的总误差预算如下：

 

（公式11）

 

使用RSS方法，电流输出CSA的总误差预算如下：

 

（公式12）

 

在这些计算中，所有误差源都必须引用到同一节点，通常是输入或输出。这一点很重要，因为CSA的增益通常大于单位，因此输出误差的绝对大小大于输入误差幅度。

电流检测误差预算计算器

Maxim Integrated开发了一种新的计算器，以帮助设计人员估计所选CSA的总误差。该软件免费提供，只需要用户输入几个特定于应用程序的信息字段。它会自动从所选CSA的数据表中预填充相关规格，并使用RSS方法输出预期的最大总误差。如果在输入数据时无意中犯了错误，计算器还会标记用户。例如，如果输入检测电压超过推荐的满量程检测电压、电源电压超出范围、未满足输出摆幅约束等，它将提醒用户。

要开始使用该工具，按照以下说明操作：

使用电流检测误差预算计算器

考虑过流保护电路的设计，该电路要求CSA满足以下规格：

输入跳变点 = 50A（单向）
 

检测电阻容差 = 0.5%
 

检测电阻 = < 1mΩ
 

电源电压范围 = 4.5V 至 5.5V
 

输入共模电压范围 = 12V 至 18V
 

总误差预算 = < 2%，这意味着 CSA 增益误差< 2% 和 V操作系统< 1mV，因为单个误差不能超过总误差预算

第 1 步。参数搜索

基于上述标准，参数搜索筛选出以下候选CSA：MAX9922、MAX9918、MAX9929F、MAX4080、MAX4373和MAX4172。

第 2 步。电流检测误差计算器输入

要根据总误差预算缩小上述列表，请使用电流检测误差预算计算器。从Maxim CSA器件编号下拉框中选择一个CSA，然后输入特定于应用的输入参数（图2）。

图2.用户必须输入的输入字段。

第 3 步。验证数据手册规格

计算器自动填写所选CSA数据手册中的最大失调误差、最大增益误差、CMRR和PSRR规格。默认情况下，这些规格对应于T = 25°C，如图3所示，MAX9922 CSA。

图3.计算器从选定的 CSA 数据表中预填充相关规格。

现在按 计算 按钮记下软件计算的总误差。

第 4 步。数据表覆盖

即使计算器预先填充了数据手册中的增益、失调误差、增益误差、CMRR和PSRR值，它也很灵活。如有必要，可以将这些值替换为用户指定的值。例如，设计人员可能有一个用于校准和消除软件失调电压影响的规定，在这种情况下，非精密CSA也可能满足误差预算要求。其他用户可能对数据手册中的最坏情况温度规格更感兴趣，而不是默认的T = 25°C。

要替换预填充数字的值，请使用“输入替代”字段进行特定于应用程序的调整。回到MAX9922示例，按下计算按钮会产生图4所示的错误。计算器提示用户降低增益，因为输出电压不能超过器件的输出电压上限。

由于MAX9922的增益是可调的，只需在相应的数据资料覆盖字段中将增益降低至60V/V即可。更新增益后，图5显示了由此产生的总误差预算。

图 4.错误消息示例，如果不满足任何设备约束。

图 5.所选 CSA 的计算误差预算。

第5步。选择不同的 CSA

要评估下一个CSA（例如MAX9918）的误差预算，只需更改Maxim CSA器件编号下拉框中的选择。无需重新输入输入参数。单击每个 CSA 选择后的计算按钮以获取相应的误差预算。表 1 列出了此示例入围的所有 CSA 的错误预算数字。结果表明，只有MAX9922和MAX9918满足该应用的总误差预算标准。

 

表 1.使用计算器计算的总误差预算
部分	总误差 （%）		条件
	T = 25°C	T = -40°C 至 +85°C
MAX9922	0.64	0.79	增益 = 60
MAX9918	1.13	1.93	增益 = 60
MAX9929F	1.39	3.45	—
MAX4080S	1.43	2.55	—
MAX4373F	2.84	6.18	—
MAX4172	—	2.57	O/P 端接 = 6kΩ

 

总结

本文介绍了电流检测误差预算计算器，这是一个强大的工具，用于快速、合乎逻辑地识别CSA选择。本文还解释了更好地了解 CSA 错误规范的重要性。这些知识和计算器将共同帮助设计人员为应用选择最佳的CSA。作为计算器基础的RSS误差分析方法可以进一步扩展，以计算多个电子元件或电路的系统级精度性能。

审核编辑：郭婷