模拟技术中的新型放大器实现高性能电流检测

大多数模拟集成电路（比较器、运算放大器、仪表放大器、基准、滤波器等）都是用来处理电压信号的。至于处理电流信号的器件，设计师们的选择却少得可怜，而且还要面对多得多的难题。这很不幸，因为直接监视和测量电流有很大的优势。通过观察电流流动，可以最好地监视电动机扭矩、螺线管受力、LED 密度、太阳能电池受光量和电池电量。所需要的只是一个能准确测量电流并将电流转换成电压的电路，这样就可以用很容易买到现有的电压器件（放大器、比较器、ADC 等）以放大、调节和测量电压。 　　图 1：电流检测电路概念图 　　尽管电阻可以将电流转换成电压，但是只用电阻并不能组成完整的解决方案。最常见的解决方案是，用一 在模拟技术领域，电流检测是不可或缺的一环，尤其在高性能应用中，比如电机控制、电源管理、传感器信号处理等。通常，大多数模拟集成电路设计偏向于处理电压信号，但电流检测直接反映了系统的运行状态，比如电动机扭矩、电磁线圈的力、LED亮度、太阳能电池的光照强度以及电池电量等关键参数。 电流检测的基本原理是利用电阻将电流转换为电压，如图1所示的概念图。然而，仅靠电阻不能构成完整的解决方案，因为我们需要一个能够隔离并放大电阻两端电压（VSENSE）的放大器。最常见的方法是在电流路径中串联一个检测电阻，如图2所示，然后通过一个放大器来处理这个电压信号，实现电流的测量。 在电流检测中，有两种主要的拓扑结构：低端电流检测和高端电流检测。低端电流检测（图3A）将检测电阻置于地线上，这种方法要求没有其他接地路径，以防止电流分流。但由于地线并非理想导体，地电位可能存在差异，所以需要差分放大器来获得准确的测量值（图3B）。然而，这种方法的一个问题是，随着电流的变化，地线电阻会导致负载“地”电位变化，引入共模误差。 高端电流检测（图4）则避免了这个问题，检测电阻位于电源和负载之间，使得放大器需要在高共模电压下区分小的差分电压。对于低电压系统，仪表放大器或轨至轨差分放大器可能足以应对，但在高电压环境下，可能需要额外的电路来处理共模电压，这增加了成本和复杂性。 针对这些挑战，出现了高端电流检测放大器（图5），这类特殊放大器设计用于从高共模电压中提取小差分电压，并将其放大为以地为基准的信号。理想的高端电流检测放大器应具有高输入阻抗以减少对负载的影响，高增益和高增益精度以保证测量准确度，以及宽共模范围和优秀的共模抑制比（CMRR）以处理大范围的共模电压变化。 电阻的选择同样关键。电流检测电阻（RIN）应尽可能小以减小电压降，同时保持足够的功率处理能力，而输出电阻（ROUT）则决定了转换后的电压水平。此外，放大器的精度不容忽视，因为它直接影响到电流测量的准确性和稳定性。 高性能电流检测依赖于巧妙的电路设计和适合的放大器选择。高端电流检测放大器作为一种优化解决方案，可以有效地解决共模电压问题，提高测量精度，同时减轻了对负载的影响。在实际应用中，设计师需要综合考虑系统需求、电源电压范围、负载特性以及环境因素，以选择最合适的电流检测方案。