差分放大器是高邊電流測量電路中的基本元件？

目前隨著越來越多的便攜式應用，對專用電流監(jiān)測器的需求已經(jīng)大大增加，從而以小封裝、低靜態(tài)電流實現(xiàn)其任務。以下的討論涵蓋低邊和高邊電流監(jiān)測器，包括其架構和應用。

大多數(shù)電流測量應用采用低邊原理，檢測電阻與接地通路串聯(lián)（圖 1）;或者采用高邊原理，檢測電阻與電源線串聯(lián)（圖 2）。兩種方法都具有不同的優(yōu)缺點。低邊電阻在接地通路中增加了不希望的額外阻抗;采用高邊電阻的電路必須承受相對較大的共模信號。此外，如果圖 1 中運放的 GND 引腳以 RSENSE 的正端為基準，那么其共模輸入范圍必須覆蓋至零以下，也就是 GND - （RSENSE × ILOAD）。

圖 1. 低邊電流監(jiān)測器原理

圖 2. 高邊電流監(jiān)測器示例

然而，不要因為低邊測量電路的簡單性而忽略高邊測量方法的優(yōu)勢。多種故障會避開低邊監(jiān)測器，從而使負載面臨危險和未檢測到的情形（圖 3）。注意，能夠檢測通過路徑 A 連接的負載，但通過路徑 B 的意外連接則避開了監(jiān)測器。另一方面，高邊監(jiān)測器直接連接至電源，能夠檢測所有的下行故障并觸發(fā)相應的補救措施。高邊監(jiān)測器也比較適合汽車應用，此類應用中的外殼作為地電勢。

圖 3. 如果負載意外接地，通路 B 可產(chǎn)生危險的高電流

傳統(tǒng)高邊監(jiān)測器

以前，這兩種方案的許多實現(xiàn)方法都基于分立式元件或半分立式電路。最簡單情況下，此類高邊監(jiān)測器要求高精度運放和少數(shù)幾個精密電阻。高邊測量的一種常見方法是使用傳統(tǒng)的差分放大器作為增益放大器以及從高邊至地的電平轉換器（圖 4）。盡管這種分立式電路使用廣泛，但具有以下三個主要缺點：

輸入電阻（等于 R1）相對較低。

輸入端的輸入阻抗通常呈現(xiàn)出較大偏差。

電阻必須良好匹配，以獲得可接受的共模抑制比（CMRR）：0.01%的電阻值偏差會將 CMRR 降低至 86dB，0.1%的偏差將其降低至 66dB，1%的偏差將其降低至 46dB。

高邊電流監(jiān)測需求帶動了大量用于該目的的新集成電路的發(fā)展。另一方面，低邊測量未推動新型相關 IC 的進步。

圖 4. 差分放大器是高邊電流測量電路中的基本元件

集成全差分放大器

隨著大量包含高精度放大器和精密匹配電阻的 IC 的推出，在高邊電流測量中使用差分放大器變得非常方便。這些器件的 CMRR 達到 105dB 數(shù)量級，MAX4198/MAX4199 就是例子之一（圖 5）。IC 采用 8 引腳μMAX 封裝，典型 CMRR 達到 110dB，增益誤差優(yōu)于 0.01%。

圖 5. 集成差分放大器（MAX4198/MAX4199）具有非常高的 CMRR

專用高邊監(jiān)測器

高邊電流測量的另一種方法以包含執(zhí)行測量所需全部功能的 IC 為代表。這些 IC 在高達 32V 的共模電壓下檢測高邊電流，并提供以地為基準的電流或電壓輸出，輸出與被測電流成比例。電源管理、電池充電及其它必須高精度測量或控制電流的應用均受益于這些專用電流檢測放大器。

Maxim 的高邊電路檢測放大器將電流檢測電阻放在電源的正端與被監(jiān)測電路電源輸入之間。這種設計避免了接地區(qū)域上的外接電阻，大大簡化了布局，通常會改善總體電路性能。Maxim 提供的單向和雙向電流檢測 IC 包括帶有或不帶內部檢測電阻的雙向器件。雙向放大器包括一個用于指示電流方向的信號引腳。

這些單向和雙向電流檢測 IC 的型號包括帶可調增益，+20V/V、+50V/V 或+100V/V 固定內部增益，以及內部增益加單或雙比較器。器件采用小型封裝，滿足緊湊型應用的嚴格要求。

所有 Maxim 高邊 IC 的共同點是具備提供以地為參考的電壓或電流輸出的能力，不需要或只需要很少的附加元件。輸出信號與被測高邊電流成比例，其共模電壓可高達 32V。集成高邊電流監(jiān)測器的幾種架構。注意，MAX4172 電流源輸出與 RSENSE 上的電壓成比例。
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