調整檢流放大器的失調電壓提高電流測量精度

一些應用中需要對檢流放大器的輸入失調電壓(V_OS)進行校準，以提高電流測量精度。但是，受放大器最小輸出電壓(V_OL)和輸入V_OS的影響，校準并非一個簡單過程。本應用筆記討論了一種“調整”單向檢流放大器輸入V_OS的簡單方法。利用這一方法測量輸入V_OS時不受V_OL的限制，并且能夠提高整體電流測量精度。以MAX4080檢流放大器為例對這項技術進行探討。

類似文章發表于2009年12月的電子工程專輯。

引言

檢流放大器是廣泛用于電子設備實時監測負載電流的成熟IC。系統控制器根據負載信息進行電源管理運算，以更改負載電流本身的特性，并可提供靈活的過流保護方案。

檢流放大器在放大微弱的差分電壓的同時能夠抑制輸入共模電壓，該功能類似于傳統的差分放大器，但兩者有一個關鍵區別：對于檢流放大器而言，所允許的輸入共模電壓范圍可以超出電源電壓(V_CC)。例如，當MAX4080檢流放大器工作在V_CC = 5V時，能夠承受76V的輸入共模電壓。采用獨立的放大器架構，電流檢測放大器不會受電阻不匹配造成的共模抑制(CMRR)的影響。MAX4080具有100dB (最小值)的直流CMRR，而基于傳統運放的差分放大器則受CMRR限制，其有效輸入V_OS通過信號鏈路是被放大。


圖1. MAX4080高精度單向電流檢測放大器

通過校準提高精度

MAX4080檢流放大器具有精密的輸入失調電壓(V_OS)，25°C時最大值為±0.6mV，在整個-40°C至+125°C溫度范圍內，最大值為±1.2mV。但是，許多應用需要更高的電流測量精度，因此需要對輸入V_OS做進一步校準。這種校準通過在生產過程中測量V_OS并將結果存儲在固件中實現。利用所存儲的數據，當設備在現場投入實際使用時，可以在數字域調整V_OS。

為便于生產，校準的首選方案是：在負載電流為零(零輸入差分電壓)時測量V_OS。可以測量輸出V_OS并在以后的測量數據中減去該電壓。不幸的是這種方法存在一個缺點，由于V_OL (最低輸出電壓)和輸入V_OS相互影響，輸出電壓可能無法精確地反映輸入V_OS。所有單電源供電放大器均存在這一問題。

以增益為20的MAX4080T為例，并假設輸入V_OS為零，此時放大器輸出的測量值應該為零。而實際情況是：即使在零輸入差分電壓下，放大器也不能保證輸出電壓低于15mV (10μA吸電流)。如果直接把測量到輸出電壓用于V_OS校準，放大器的輸入V_OS為0.75mV (15mV/20 = 0.75mV)。

同樣，如果MAX4080T具有V_OL = 0，則正電壓輸入V_OS應該產生正的輸出V_OS。而負電壓輸入V_OS則不會“反映到”輸出端，因為放大器不能產生低于地電位的輸出電壓。這樣，在零輸入差分電壓下，不能通過“直接”測量輸出電壓來校準輸入V_OS。

生產過程中，有兩種方法校準V_OS：

1. 雙向檢流放大器具有內部基準，例如：MAX4081具有1.5V基準，能夠將輸出測量電壓偏置在1.5V，這樣，輸入差分電壓為零時，輸出為1.5V ±V_OS，引入誤差。1.5V電壓高于放大器的V_OL，不會影響誤差分析。可通過測量輸出電壓與1.5V理論電壓之差計算得到V_OS誤差。但是，這種方法有一個缺點：降低了動態范圍。對于0至5V輸入動態范圍的ADC器件，動態范圍降低了30%，輸出范圍為1.5V至5V。另外，這種方法需要使用價格較高的雙向檢流放大器，用于單向測量。最后，利用一個低漂移1.5V基準或額外的一個通道的目的只是為了測量該1.5V基準電壓，設計人員很難接受這種方案。
   
   
2. 兩點測量法對檢流放大器施加兩個已知的差分輸入電壓(負載電流)。首先，基于測量電壓，利用直線逼近法在圖表上外推出零檢流電壓對應的輸入V_OS。然后，利用電壓測量值進行校準。這種方法的缺點是：需要提供兩個“已知”的精密電流值，生產中很難得到這樣的電流，同時還增加了測試時間。最后，需要注意的是：對于接近零的差分輸入電壓，很難得到精確的測量值，因為在極小的檢測電壓下，V_OL限制會產生誤差。

利用輸入電阻調整輸入V_OS

本應用筆記介紹了第三種檢流放大器輸入V_OS的測量方法。同樣以MAX4080為例，作用一個零輸入差分電壓，能夠抵消V_OL與V_OS間的相互影響—可以方便地用于生產線測試。

所有的檢流放大器都具有輸入偏置電流，必須慎重使用輸入電阻(例如，作為輸入濾波器的一部分)，因為電阻會引入不確定的增益和失調誤差。應用筆記3888：“帶有輸入串聯電阻的電流檢測放大器的性能”討論了上述問題。本文采用類似技術，但特意選擇不匹配的輸入電阻，以引入額外的輸出V_OS。MAX4080的偏置電流可進行溫度補償，整個工作范圍內偏置電流為5μA (典型值)和12μA (最大值)。在RS-串聯一個2kΩ電阻(圖2)，以產生典型值和最大值分別為10mV和24mV的輸入V_OS。所引入的V_OS產生相應的輸出失調范圍為200mV (典型值)和480mV (最大值)，足以克服MAX4080 V_OL和V_OS的限制。輸入電阻引入的誤差V_OS與溫度有關，取決于輸入電阻的溫漂特性(通常為100ppm)和偏置電流(忽略不計)。


圖2. MAX4080配置中在RS-端串聯了一個外部2kΩ電阻

在100°C溫度變化范圍內，+100ppm電阻溫漂特性將產生+1%的阻值變化(即+20Ω)。這樣，輸入電阻產生的附加輸入V_OS漂移典型值約為+0.1mV，最大值為+0.24mV (整個偏置電流變化范圍內)。而這一溫漂值在沒有進行校準的情況下僅占輸入V_OS雙向誤差(±0.6mV)的20%，在沒有校準的情況下這是一個可以接受的結果。

進一步減小串聯輸入電阻可減小漂移誤差。假設整個溫度范圍內具有15mV的V_OL和±1.2mV的輸入V_OS，附加輸入V_OS的最小值必須為1.2mV + 15mV/20 = 1.95mV ≈ 2mV。表1列舉了整個溫度范圍內的測試結果。MAX4080忽略了測試放大器本身的V_OS溫漂，測量到的V_OS溫漂由輸入電阻和其ppm溫漂產生。

表1. 帶有輸入電阻和不帶輸入電阻情況下的溫度測試結果

結論

本應用筆記介紹了一種校準輸入失調的方法，該方法通過適當調整輸入電阻在檢流放大器MAX4080中引入一個已知的輸入V_OS。設備制造商可以在生產過程中利用這種方法校準零輸入電流下的V_OS，提高實時測量精度。