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。


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