概述

集成检流放大器经常用来测量电路中的电流，通过放大串联在电流通路的采样电阻压降实现重要的系统功能，例如过流保护、设备监测、可编程电流源、线性电源和开关电源、电池充电器和电量检测等。由于所要求的电流检测规格、实施方案与应用本身一样多样化，分析电流检测放大器(CSA)的误差预算是每次设计的一项基本工作。毋庸置疑，当为一个应用选择合适的器件时，对电流检测放大器的误差规格和它们间的相互影响的透彻理解非常重要，有助于降低重复设计的风险。

本文讨论了电流检测放大器的误差源，介绍了一种估计总误差预算的方法，以及如何使用Maxim设计的计算软件。软件采用简单的网页图形用户界面，计算所选Maxim CSA的总体直流误差。并通过一个应用案例帮助读者熟悉计算软件的基本操作。设计提示和消息标志也会提醒您操作过程中不符合检流规格的任何状况。

检流放大器的误差源

电流检测放大器中有几种普遍存在的直流误差源，下面对每种误差源进行简要分析。

输入失调电压

类似于运算放大器，电流检测放大器的输入偏置电压(VOS)定义为将输出电压驱动到零时，作用在检流放大器两个输入端的电压。通常不直接测量失调误差，因为单电源供电时，CSA输出电压不会达到输出电压下限(VOL)以下。因此，VOS被更准确地当作输出电压VOUT与采样电压VSENSE间传输特性曲线的线性部分反向延长线与VSENSE轴的交点，图1所示。

图1. 输出电压与采样电压的对应关系确定失调电压。

如果VOUT1是VSENSE= VSENSE1时测得的输出电压，VOUT2是VSENSE= VSENSE2时测得的输出电压，那么VOS可由下面的公式计算：

(式1)

CSA输入失调电压产生的输出失调误差如下：

ERRORVOS= G × VOS (式2)

这里G为所要求的放大器增益。

减小失调电压误差的方法是选择一个阻值较大的检流电阻，大阻值产生较高的采样电压，相应减小误差预算中的失调误差成份。需要注意的是，选择外部RSENSE时需要在可接受的压降、电阻功耗和CSA失调误差之间进行平衡。对于精密的电流检测应用，不会采用大阻值检流电阻，应选择高精度CSA。

增益误差

增益误差定义为CSA的实际差分增益与理想差分增益的偏差比，理想增益由内部固定增益或外部电阻比设定。增益误差可由下式确定：

(式3)

实际增益可由图1获得：

(式4)

增益误差测量的是传递函数的实际斜率与理想斜率间的误差百分比。

增益误差引起的输出误差由下式确定：

(式5)

增益非线性

一个具有理想线性特性的CSA，其传输函数保持恒定斜率。相对于失调误差和增益误差，如果输出摆幅在线性区（该区域由CSA数据手册的输出电压上限、下限范围指定），可以忽略增益的非线性。由此，可以在总体误差中忽略增益非线性引起的误差。

共模抑制比

共模抑制比（CMRR）测量CSA对作用在两个输入端的同等变化信号的抑制能力。数据手册中的CMRR通常以输入为参考，CMRR由下式定义：

(式6)

共模输入电压变化引起的最大输出误差可由下式得出：

ERRORCMRR= G × Maximum [Abs Value (Min VCM- Data Sheet VCM), Abs Value (Max VCM- Data Sheet VCM)] × 10-CMRR/20 (式7)

其中：

数据手册VCM= 数据手册中确定CSA的增益误差和失调误差时的共模电压。

最小VCM= 施加在用户电路中的最小共模电压

最大VCM= 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)用于衡量CSA抑制电源（VCC）各种变化的能力。数据手册中的PSRR通常以输入为参考，其结果与所施加的差分信号相比较。由电源电压变化引起的最大输出误差由下式确定：

ERRORPSRR= G × Maximum [Abs Value (Min VDD- Data Sheet VDD), Abs Value (Max VDD- Data Sheet VDD)] × 10-PSRR/20 (式8)

其中：

数据手册VDD= 数据手册中确定CSA增益误差和失调误差特性时的电源电压。

最小VDD= 作用在用户电路中的最小电源电压

最大VDD= 作用在用户电路中的最大电源电压

检流电阻误差

由于大多数CSA采用的是外部检流电阻，当计算总误差时应该考虑检流电阻的误差。采用精密电阻可以减小这项误差。另外，对大电流应用，为了达到较好的测量精度，建议采用4线开尔文连接电阻。

检流电阻误差引起的输出误差：

(式9)

输出电阻误差 电流输出型CSA，如MAX9934，通常采用一个负载电阻将输出电流转换成电压。电流输出有着明显优势：多个CSA可复用同一负载电阻；另外，如果把输出电阻端接到ADC的地，电流输出架构可以使CSA对地线干扰具有较强的抑制能力。但在计算整体误差时必需考虑输出电阻误差，输出电阻引入的误差如下：

(式10)

这里GM= 跨导增益。

估算系统误差

设计者常常倾向于计算最差工作条件下CSA的总误差，这种情况下，总误差由所有单项误差叠加得到。尽管这种方法确保误差在任何条件下不会超过限制，但更多情况下，它会产生一个过于保守、不准确的估算。最差条件下的计算方法是假设所有单项误差源是相干的，且具有相同极性。

另一种方法是平方根和（RSS）分析，其中总误差是单个误差平方和的平方根。RSS是当增加两个随机分布（常态分布或高斯分布）测量时，所得标准方差等同于初始分布标准方差平方和的平方根。对于CSA，每项误差源不相干，RSS法比最差工作条件分析法更实用。如果确保采用了每项误差源，RSS分析将可获得最合理的结果。

关于RSS，一个有趣的因素是：即使它会导致总误差比单项误差大，但主要误差项经常会远远超出所有其它项。

用RSS法对电压输出型CSA的总误差进行计算，可以得出：

(式11)

用RSS法对电流输出型CSA的总误差进行计算，可以得出：

(式12)

这些计算中所有的误差源必须参考同一节点，可以是输入也可以是输出。这一点非常重要，因为CSA的增益通常大于单位增益，而输出误差的绝对值大于输入误差。