高電壓放大器擴展庫侖計數(shù)器范圍

庫侖計數(shù)器能夠測量流入或流出電池的電荷，而小的專用 IC 則可直接與約 20V 以下的中低電池電壓相連。通過采用一個高電壓放大器作為電平移位器，就能把測量電路的輸入工作范圍擴展至高得多的電壓。LT6375 電壓差動放大器具備一些可使該電路在極寬電壓范圍內(nèi)準(zhǔn)確工作的特性。

庫侖計數(shù)器的工作原理是測量一個檢測電阻器兩端的電壓，把它作為必需進(jìn)行積分運算之電流的指示。圖 1 示出了當(dāng)采用一款低電壓庫侖計數(shù)器 LTC2941 時的典型連接。重要的一點是：庫侖計數(shù)器真實地測量電壓，接著把它解譯為電流，然后將之作為電荷報告。通過去除檢測電阻器，并設(shè)法驅(qū)動庫侖計數(shù)器之檢測引腳兩端的另一個電壓，它將仍然把該電壓解譯為電流并報告一個累積電荷。

圖 1：低電壓庫侖計數(shù)器 (比如 LTC2941) 有助于簡化低電壓測量

在圖 2 中，LTC6375 的輸出連接至庫侖計數(shù)器的檢測引腳。該 IC 是一款差動放大器，這意味著它是連接了高精度電阻器的運放，旨在實現(xiàn)差分輸入電壓的電平移位。差動放大器的運作將其輸出電壓驅(qū)動至一個按下式計算的數(shù)值：

OUT = REF+ GAIN ×[(+IN) – (-IN)]

LT6375 驅(qū)動其輸出引腳，但是 REF 引腳必須連接至一個低阻抗源。同樣，LTC2941 期望在其 SENSE⁺ 引腳 (它也是用于該 IC 的電源引腳) 上有一個低阻抗源。可把REF 和 SENSE⁺ 引腳均連接至用于I²C 接口的同一個邏輯電源軌 (例如：3.3V)。通過把 LT6375 的 OUT 引腳連接至 SENSE^–引腳，LT6375 將把其輸入之間的電壓差加在LTC2941 的輸入兩端。實際上，LT6375 充當(dāng)一個假的檢測電阻器。

圖 2：一個增設(shè)的電壓差動放大器擴展了可進(jìn)行庫侖計數(shù)的電壓范圍

差動放大器的準(zhǔn)確度在很大程度上取決于電阻器匹配。雖然顯而易見的是電阻器失配直接影響著增益準(zhǔn)確度，但是不太明顯且更加嚴(yán)重的問題則是這種電阻器失配將引起失調(diào)誤差。1%的電阻器失配將引起一個輸出失調(diào)，該失調(diào)等于電路在其上進(jìn)行電平移位之電壓的 1%。

例如，一個電平移位至 3V 的 48V 輸入將導(dǎo)致 450mV 的失調(diào)誤差，對于此類測量來說該誤差是太大了。LT6375A 規(guī)定了一個 97dB 的最小共模抑制比 (CMRR)，這意味著一個 45V 的電平移位會引起一個小于 640μV 的失調(diào)。

當(dāng)設(shè)計高電壓電平移位電路時，至關(guān)緊要的是確保運放的輸入處于其有效工作范圍之內(nèi)。就 LT6375 而言，電源引腳額定在高達(dá)60V，因此在某些場合中，可采用被測量的電壓為它供電。這是圖 2 中示出的配置，在此配置中LT6375 測量一個 48V 電源供應(yīng)的電流。最后，該IC 包括額外的高精度電阻器，這些電阻器可由外部引腳進(jìn)行配置以分割輸入共模范圍，同時保持差分增益等于 1 倍。在圖 3 中，輔助基準(zhǔn)引腳全部連接至 5V 電源，這分割了–42V 輸入電壓以將其置于運放的電源范圍之內(nèi)。對于其他的應(yīng)用，LT6375 內(nèi)部的運放具有一種獨特的特性，憑借該特性其輸入能夠在高于電源引腳本身的電壓條件下工作。把這些特性組合起來，就能設(shè)計可跨一個±270V輸入范圍監(jiān)視電源的電路。

圖 3：通過把輔助基準(zhǔn)引腳連接至 5V 電源以分割–42V 輸入電壓可將輸入置于運放的電源范圍之內(nèi)