簡(jiǎn)介

　　精密微安級(jí)高邊電流測(cè)量需要一個(gè)小阻值檢測(cè)電阻和一個(gè)低失調(diào)電壓的放大器。 LTC2063 零漂移放大器的最大輸入失調(diào)電壓僅為5 μV，僅需消耗1.4 μA的電流，是構(gòu)建完整的超低功耗精密高邊電流檢測(cè)電路的理想選擇(如圖1所示)。

　　圖1. 基于LTC2063零漂移放大器的精密高邊電流檢測(cè)電路。

　　該電路僅需2.3 μA至280 μA的電源電流即可檢測(cè)100 μA至250 mA寬動(dòng)態(tài)范圍電流。LTC2063非常低的失調(diào)電壓使該電路能夠與低至100毫歐的分流電阻配合工作，從而使得最大分流電壓限值僅為25 mV。這可以大幅減小分流電阻上的功率損耗，并大大提高負(fù)載可用功率。LTC2063的軌到軌輸入允許該電路在非常小的負(fù)載電流下工作，其輸入共模幾乎正好處于電源軌上。LTC2063的集成EMI濾波器可在高噪聲條件下保護(hù)器件免受RF干擾。

　　對(duì)于給定的檢測(cè)電流，該電路的電壓輸出為：

　　零點(diǎn)

　　電流檢測(cè)解決方案的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)是零點(diǎn)，或在沒有檢測(cè)電流時(shí)產(chǎn)生的輸出折合到輸入端的等效誤差電流。零點(diǎn)通常由放大器的輸入失調(diào)電壓除以R(SENSE)決定。LTC2063的低輸入失調(diào)電壓典型值為1 μV，最大值為5 μV，低輸入偏置和失調(diào)電流典型值為1 pA至3 pA，因此，折合到輸入端的零點(diǎn)誤差電流典型值僅為10 μA(1 μV/0.1 歐姆)，最大值為50 μA (5 μV/0.1 歐姆)。這種低誤差使檢測(cè)電路能夠在低至其指定范圍內(nèi)的最小電流(100 μA)時(shí)仍然保持其線性度，不會(huì)因分辨率損耗而在低量程范圍內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)固定的失調(diào)值導(dǎo)致線性度變平(如圖2所示)。所得的輸入電流與輸出電壓關(guān)系曲線在整個(gè)電流檢測(cè)范圍內(nèi)都是線性的。

　　圖2. 低端無固定失調(diào)值，I(SENSE)可低至100 μA。

　　零點(diǎn)誤差的另一個(gè)來源是輸出PMOS在零柵極電壓時(shí)的漏極電流或I(DSS), 即PMOS標(biāo)稱為關(guān)閉(|V(GS)| = 0)時(shí)存在于非零V(DS)上的寄生電流。具有高I(DSS)漏電流的MOSFET在沒有I(SENSE)時(shí)將產(chǎn)生一個(gè)非零正V(OUT)值。

　　T本設(shè)計(jì)中使用的晶體管為英飛凌的BSP322P，它在|V(DS)| = 100 V時(shí)的I(DSS) 上限值為1 μA?？蓪?duì)本應(yīng)用中BSP322P的典型I(DSS) 進(jìn)行一個(gè)合理估計(jì)，在室溫條件且V(DS) = -7.6 V時(shí)，II(DSS)僅為0.2 nA，因此僅產(chǎn)生1 μV的誤差輸出，或等效于測(cè)量0 A輸入電流時(shí)產(chǎn)生100 nA的輸入電流誤差。

　　架構(gòu)

　　LT1389-4.096 基準(zhǔn)電壓源以及由M2、R2和D1組成的自舉電路構(gòu)成超低功耗的隔離3 V電源軌(4.096 V + M2的V(TH) ，后者典型值為-1 V)，LTC2063可防止達(dá)到5.5 V的絕對(duì)最大電源電壓值。盡管串聯(lián)電阻也能滿足建立偏置電流的需求，但使用晶體管M2可以提供更高的整體電源電壓，同時(shí)還可將電源范圍高邊的電流消耗限制在僅為280 μA。

　　精密

　　LTC2063的輸入失調(diào)電壓導(dǎo)致折合到輸入端的固定電流誤差為10 μA(典型值)。在250 mA滿量程輸入中，所產(chǎn)生的失調(diào)誤差僅為0.004%。在低端，100 μA中的10 μA代表10%的誤差。由于失調(diào)是恒定的，因此可以對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。圖3顯示，由LTC2063、不匹配的寄生熱電偶以及所有寄生串聯(lián)輸入電阻產(chǎn)生的總失調(diào)僅為2 μV。

　　圖3. 采用4.5 V最小電源時(shí)在整個(gè)I(SENSE)范圍內(nèi)V(IN)至V(OUT) 的轉(zhuǎn)換。200.7μV的輸出失調(diào)除以100.05 V/V電壓增益，表示RTI輸入偏置為2μV。

　　圖3所示的增益為100.05 V/V，它比構(gòu)建時(shí)由R(OUT)和R(IN)的實(shí)際值給定的預(yù)期增益(即4.978 k歐姆/50.4 歐姆 = 98.77 V/V)大1.28 V/V。該誤差可能是由LTC2063的輸入端與R(SENSE)之間500毫歐左右的寄生串聯(lián)電阻所導(dǎo)致。

　　該電路輸出不確定性的主要來源是噪聲，因此，使用并聯(lián)大電容進(jìn)行濾波對(duì)于降低噪聲帶寬從而降低總綜合噪聲至關(guān)重要。使用1.5 Hz輸出濾波器時(shí)，LTC2063會(huì)使折合到輸入端的低頻噪聲增加約2 μV p-p。在盡可能長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間內(nèi)平均輸出，進(jìn)一步減少由于噪聲引起的誤差。

　　該電流檢測(cè)電路中的其他誤差源包括在LTC2063輸入端與RSENSE串聯(lián)的寄生板級(jí)電阻、增益設(shè)置電阻R(IN)和R(OUT)的電阻值容差、增益設(shè)置電阻的溫度系數(shù)不匹配以及由寄生熱電偶引起的運(yùn)算放大器輸入端的誤差電壓?？梢酝ㄟ^使用開爾文連接檢測(cè)R(SENSE)4引腳檢測(cè)電阻以及使用與R(IN)和R(OUT)的關(guān)鍵增益設(shè)置路徑具有相似或更低溫度系數(shù)的0.1%電阻來大幅降低前三個(gè)誤差源。為了消除運(yùn)算放大器輸入端的寄生熱電偶，R1應(yīng)與RIN具有相同的金屬端子。還應(yīng)盡可能避免在輸入端的不對(duì)稱熱梯度。

　　以滿量程2.5 V輸出為基準(zhǔn)，本章節(jié)所討論的所有誤差源的總貢獻(xiàn)最多為1.4%(如圖4所示)。

　　圖4. 誤差百分比在整個(gè)讀數(shù)范圍內(nèi)保持在1.4%以下。

　　電源電流

　　LT1389-4.096和LTC2063在最小V(SUPPLY)和I(SENSE)(4.5 V和100 μA)時(shí)所需的最小電源電流為2.3 μA，在最大V(SUPPLY)和I(SENSE) E(90 V和250 mA)時(shí)則可達(dá)280 μA(如圖5所示)。除了有源組件消耗的電流外，V(SUPPLY)Y還需要提供流經(jīng)M1的輸出電流I(DRIVE)，該電流與輸出電壓成比例，范圍從1.0 mV輸出時(shí)的200 nA (I(SENSE)為100 μA時(shí))到2.5 V輸出時(shí)的500 μA( I(SENSE) 為250 mA時(shí))。因此，除I(SENSE)外，總的電源電流范圍為2.5 μA至780μA。將 R(OUT)設(shè)置為5 k歐姆以獲得合理的ADC驅(qū)動(dòng)值。

　　圖5. 電源電流隨電源電壓而增加，但不會(huì)超過280 μA。

　　輸入電壓范圍

　　在這種架構(gòu)中，最大電源取決于PMOS輸出端可以承受的最大|V(DS)|。BSP322P的額定電壓為100 V，因此90 V是一個(gè)合適的工作限值。

　　輸出范圍

　　此設(shè)計(jì)可以驅(qū)動(dòng)5 k歐姆負(fù)載，因此適合作為眾多ADC的驅(qū)動(dòng)級(jí)。它的輸出電壓范圍為0 V至2.5 V。由于LTC2063具有軌到軌輸出，因此最大的柵極驅(qū)動(dòng)僅受限于LTC2063的裕量。在本設(shè)計(jì)中，典型值為3 V，它由LT1389-4.096的4.096 V加上M2的V(TH)典型值-1 V設(shè)定。

　　因?yàn)樵撾娐返妮敵鰹殡娏?，所以電壓、接地或引線失調(diào)都不會(huì)影響精度。因此，可以在輸出PMOS M1和R(OUT)之間使用長(zhǎng)引線，從而允許R(SENSE)位于待檢測(cè)電流附近，而R(OUT)位于ADC和其他信號(hào)鏈后續(xù)級(jí)附近。長(zhǎng)引線的缺點(diǎn)是增加了EMI敏感度。R(OUT)兩端的100 nF C3可在有害EMI到達(dá)下一級(jí)前對(duì)其進(jìn)行分流。

　　速度限制

　　由于LTC2063的增益帶寬乘積為20 kHz，因此建議使用此電路來測(cè)量20 Hz或頻率更低的信號(hào)。22 μF的C2與負(fù)載并聯(lián)，可將輸出噪聲濾波為1.5 Hz，以提高精度并保護(hù)后續(xù)電路免受突發(fā)電流浪涌影響。該濾波的代價(jià)是建立時(shí)間更長(zhǎng)，尤其是在輸入電流范圍的最低端。

　　結(jié)論

　　LTC2063具有超低輸入失調(diào)電壓、低I(OFFSET)和低I(BIAS)以及軌到軌輸入，可在100 μA至250 mA全范圍內(nèi)提供精密電流測(cè)量。該電路的最大電源電流為2 μA，因此在大部分工作范圍內(nèi)都能以遠(yuǎn)低于280 μA的電源電流運(yùn)行。LTC2063的低電源電流以及低電源電壓要求使其能夠利用基準(zhǔn)電壓源供電并且綽綽有余。