電流檢測(cè)放大器 (CSA) 是專用放大器，通過測(cè)量傳感器元件上的壓降來監(jiān)控電流。您會(huì)發(fā)現(xiàn) CSA 跨多種應(yīng)用，例如基站、服務(wù)器背板、汽車、移動(dòng)和射頻電源設(shè)備，在這些應(yīng)用中，跟蹤瞬時(shí)系統(tǒng)電流非常重要，盡管在許多情況下，跟蹤瞬時(shí)系統(tǒng)電流會(huì)隨著時(shí)間的推移而變化。盡管這些設(shè)備以不同的信號(hào)頻率運(yùn)行，但 CSA 帶寬的運(yùn)行范圍最多僅為 1 兆赫茲。 CSA 的主要工作是監(jiān)控電源的運(yùn)行狀況，其典型變化慢于電路的信號(hào)頻率活動(dòng)。

CSA 的傳感元件是超低值外部電阻器 (R SENSE ) 或集成電流傳感晶體管。一般來說，這些集成 CSA 設(shè)備易于使用，比分立版本更精確，并且不易產(chǎn)生噪聲。 CSA 的典型電流范圍從幾十微安到幾百安培不等。這些器件提供可擴(kuò)展至 +100V 的共模電壓范圍。

使用外部電流檢測(cè)電阻的 CSA

使用外部檢測(cè)電阻的 CSA 在其輸入端有一個(gè)經(jīng)典的差分放大器，用于檢測(cè) R SENSE上的小電壓降。圖 1 顯示了使用超低檢測(cè)電阻的通用 CSA 電路。

圖 1具有外部電阻 (R SENSE ) 來感測(cè)電池電流 (I BAT ) 的典型 CSA

在圖 1中，仔細(xì)選擇 R SENSE 可建立最小的 I BAT * R SENSE 或 V RSENSE 壓降，以保持負(fù)載的電源電壓。該系統(tǒng)有效地創(chuàng)建了一個(gè)二十年的電流傳感器。此外，R SENSE 與R 1 和R 2之間的絕對(duì)電阻差 足夠高，以確保流向負(fù)載的電池電流幾乎完全流經(jīng)R SENSE。

圖1 配置提供了充足的共模范圍、低失調(diào)電壓、增益和溫度穩(wěn)定性，以保證良好的電源電流測(cè)量。

共模范圍定義了 IN+ 和 IN- 相對(duì)于地的直流電壓范圍。圖 1的 CSA設(shè)計(jì)通常支持電源以外的共模電壓。此特性允許進(jìn)行高側(cè)(靠近正電源)和低側(cè)(靠近負(fù)電源)測(cè)量。圖 1 顯示了高側(cè)測(cè)量，其中 IN+ 和 IN- 有效偏置到 V BAT1，負(fù)載電源偏置到負(fù)載電壓 V BAT2。由于 R SENSE上的壓降很小，該電路將共模電壓設(shè)置為略高于正電源。

失調(diào)電壓是 IN+ 和 IN- 之間的直流誤差。 CSA 偏移電壓和 I BAT * R SENSE 電壓 (V RSENSE ) 結(jié)合起來產(chǎn)生 IN+ 和 IN- 之間的電壓差。要確定放大器與高失調(diào)電壓之間的差異，需要使用高 R SENSE 電阻值。高 R SENSE電阻確實(shí)可以克服高放大器失調(diào)電壓，但是，增益誤差會(huì)增加，并且 V BAT2 的電壓幅度 會(huì)減小。這些錯(cuò)誤在電池供電的應(yīng)用中可能非常嚴(yán)重。

電阻器R 1、R 2、R 3和R 4 建立CSA增益。名義上R 1 等于R 2 并且R 3 等于R 4。圖 1中的R 3 / R 4值確定了 CSA 固定增益。這些片上電阻器的受控工藝變化可確保穩(wěn)健的溫度性能和較低的增益誤差。對(duì)于該器件，增益范圍為 0.2 V/V 至 1000 V/V，增益誤差低至 0.01%。

選擇外部傳感電阻 R SENSE需要一些技巧。該 CSA 電路的第一個(gè)設(shè)計(jì)步驟確定最大電池電流、CSA 增益和最大 CSA 輸出電壓。確定這些值后，R SENSE 等于：

V OUT 是允許的最大 CSA 輸出擺幅，Gain 是 CSA 信號(hào)增益，IL (MAX) 是最大負(fù)載電流。

R SENSE的大小 和最大功耗 (R SENSE × I L(MAX) 2 ) 定義了 R SENSE的物理尺寸。

放大器的誤差決定了該系統(tǒng)的低范圍精度。最重要的放大器誤差是輸入失調(diào)電壓。系統(tǒng)偏移誤差百分比等于：

在哪里：

· 偏移誤差是CSA設(shè)備的偏移誤差

· V OS 是放大器的失調(diào)電壓

該誤差的大小會(huì)影響低值電池電流的精度，從而影響 CSA 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。

使用外部傳感電阻的經(jīng)典 CSA 的替代方案是將傳感元件移至 CSA 電路中。您可以通過在集成芯片 (IC) 中創(chuàng)建超低值電阻器來實(shí)現(xiàn)此目的。然而，這種技術(shù)創(chuàng)建的設(shè)備僅限于少數(shù)應(yīng)用程序。另一種方法是利用可用的 IC 晶體管來實(shí)現(xiàn)電流鏡來測(cè)量電池電流。

使用內(nèi)部電流檢測(cè)晶體管的 CSA

對(duì)于這款新器件的建議是放棄兩個(gè)十進(jìn)制的 R SENSE 電阻解決方案，并用四個(gè)十進(jìn)制的集成電流感應(yīng)元件取而代之(圖 2)。

圖2 四十年電流檢測(cè)器件

四個(gè)十年的電流檢測(cè)器件通過有源片上晶體管接受電源電流。圖 3所示的器件 可保持 300μA 至 3A 的精度，晶體管傳感元件上的壓降為 35mV 至 60mV。電流鏡拓?fù)湎似葡拗撇⒔档土嗽肼暎瑥亩鴮?dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展至至少四個(gè)十進(jìn)制。

具有集成感測(cè)元件允許工廠微調(diào)，從而使用戶無需校準(zhǔn)獨(dú)立的 CSA 感測(cè)電阻器。所示器件包含一個(gè) 4 個(gè)十進(jìn)制電流檢測(cè)元件，并使用外部電阻器(R H、R M和 R L)來選擇滿量程電流范圍。

布局問題

與昂貴的外部 R SENSE相比，集成電流檢測(cè)元件可節(jié)省大量電路板空間 (圖 3)。

圖 3與結(jié)合外部檢測(cè)電阻 (R SENSE ) 的典型 CSA 相比，四個(gè)十年 CSA 的 PCB 空間消耗。

在圖 3中，SOT-23 封裝中的 CSA 與 1Ω 電流檢測(cè)電阻器的組合消耗約 30mm 2 的 PCB 空間。四個(gè)十年的 CSA 消耗的 PCB 空間比典型的 CSA 加 R SENSE少 10 到 20 倍。

大 1Ω 電流檢測(cè)電阻器的漂移通常非常高，從 20ppm/°C 到 400ppm/°C，其中最便宜的電阻器漂移最大。為了獲得良好的初始精度和較低的溫度漂移，電阻器的價(jià)格會(huì)上漲。

在經(jīng)典的電流檢測(cè)電路中，檢測(cè)電阻器的設(shè)計(jì)可能會(huì)帶來不受歡迎的挑戰(zhàn)。前期設(shè)計(jì)工作通常很乏味，而且所使用的檢測(cè)電阻不僅在多種應(yīng)用中成本高昂，而且占用大量 PCB 面積。用集成電流鏡替換傳感電阻器和 CSA 是一種解放且簡(jiǎn)單的選擇。這種小型、緊湊的解決方案可節(jié)省約 20 倍的電路板空間，并提供 4 個(gè)十年的傳感范圍。