如何選擇合適的放大器去測量電流

問題:

我需要測量電流，但不知道應(yīng)使用哪一款放大器。我應(yīng)該從何處著手？

答案:

電流測量在很多應(yīng)用中都是必要的，包括執(zhí)行器控制、測試與測量、傳感器信號調(diào)理以及電能計量(僅舉數(shù)例)。根據(jù)不同的應(yīng)用，設(shè)計工程師必須甄別檢測和調(diào)理電流的最佳方法1。當(dāng)有多種選擇的時候，問題就來了。例如，在精密電流測量中，可以使用分立式運算放大器來構(gòu)建跨導(dǎo)放大器，或者從眾多的集成式放大器中選擇一款來使用；那么對于特定應(yīng)用而言，哪個放大器最適合進(jìn)行電流測量？

顯然，測量電流時，電流應(yīng)當(dāng)與電路串聯(lián)，并且不應(yīng)成為電路的負(fù)擔(dān)。小型分流器件(比如電阻)通常會產(chǎn)生小電壓，需對其進(jìn)行放大和/或電平轉(zhuǎn)換。分流電阻相對較低，以便最大程度地減少其負(fù)擔(dān)，并且在某些情況下使功耗最小化。無論何種情況，都面臨著處理小電壓的挑戰(zhàn)。此外，分流器可能不會接地，這就意味著必須以差分方式測量電壓，并將該電壓進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。根據(jù)應(yīng)用，電流的變化可能達(dá)到很多數(shù)量級，從阿安到數(shù)安(或更高)都有可能。為了簡化選型過程，讓我們來回顧幾種選擇及其使用場景。

在電流路徑上插入一個分流器(如圖1a所示)，并使用運算放大器緩沖或放大可能是最直接的方法，但這種方法不提供任何電平轉(zhuǎn)換。低端電流檢測可以采用這種方法。只需降低分流值同時提高放大器增益(如圖1b所示)，即可最小化負(fù)擔(dān)電壓；但通常會犧牲噪聲和精度性能。將負(fù)擔(dān)電壓降為最低的一種更好方法——尤其是存在低電流時——是采用跨導(dǎo)放大器電路(TIA)，亦稱為電流-電壓轉(zhuǎn)換器(或者I-V轉(zhuǎn)換器)。圖1c顯示了使用TIA如何等效于在運算放大器周圍擺放分流器，其目的在于將負(fù)擔(dān)電壓降低至接近于零2。只要電流低于運算放大器的輸出限流(通常是mA級別)，它就能起作用。由于負(fù)擔(dān)電壓較低且不變，因此通常采用TIA來確保傳感器(比如光電二極管)的電流輸出具有極其精確的結(jié)果。TIA有時候可能無法實現(xiàn)，比如我們希望測量的電流不在負(fù)載的接地側(cè)。高端電流檢測或測量遠(yuǎn)程環(huán)路中的電流時便是這種情況。此時可使用儀表放大器，該器件便于使用且具備高精度(如圖1d所示)。這些器件已成功用于很多高精度電流測量中，包括4 mA至20 mA環(huán)路接收器、電能計量和傳感器接口(僅舉數(shù)例)。

在一些實例中，分流器疊加到共模電壓擺幅上，導(dǎo)致超出傳統(tǒng)放大器的電源范圍，使系統(tǒng)過于昂貴(比如，需要進(jìn)行隔離)。與儀表放大器不同，差動放大器和電流檢測放大器IC可在較大的換向共模電壓存在的情況下測量電流。它們是高性價比且魯棒的選擇，非常適合電機(jī)和執(zhí)行器控制應(yīng)用。

開始著手新的電流檢測設(shè)計前，考慮上述選項，并盡可能了解一些在線設(shè)計工具，比如光電二極管向?qū)Ш歪槍x表放大器的鉆石圖工具。如果傳感器或線纜電容已知，則光電二極管向?qū)н€能用來設(shè)計正確補(bǔ)償型TIA，哪怕光電二極管并不真正需要用到。鉆石圖工具可以根據(jù)分流器工作范圍而立即圖形化顯示儀表放大器的工作區(qū)域?；蛘撸堅L問EngineerZone?中文技術(shù)論壇，了解其他人是怎么做的。希望這些建議能幫助您找出對您的電流檢測應(yīng)用而言最佳的選擇。