運算放大器在電流檢測中的應用

趙元元++楊森++李健宇++趙曄

摘 要：運算放大器是一種應用廣泛，能實現壓控電壓源特性的多端實際器件，它是組成各種有源網絡的重要器件之一。含運算放大器的電路的分析主要利用運算放大器的虛短、虛短特性。針對大多數模擬集成電路分析電流測量，基于運算放大器的虛短、虛短特性，對運算放大器在電流檢測特別是微弱電流檢測中的應用進行了改進，并對差分放大器電流檢測中運算放大器消除共模電壓的進行了研究，使電流檢測更準確。

關鍵詞：運算放大器 電流檢測 消除共模電壓 模擬集成電路

中圖分類號：TM5 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）12（c）-0080-02

在現實生活中電流檢測放大器是運放的一種重要體現，大多數模擬集成電路（比較器、運算放大器、儀表放大器、基準、濾波器等）都是用來處理電壓信號的，然而直接監視和測量電流有很大的優勢，所以需要對電路進行轉換。

該文對運算放大器在電流檢測中的應用進行了改進，同時對差分放大器電流檢測中運算放大器消除共模電壓進行了研究。

1 電流檢測放大器

1.1 電流檢測的理想模型

圖1是由運放構成的基本轉換電路，因為運算放大器的增益A很大，且輸入失調電壓UOS很小，可簡化為選擇合適的運算放大器使其輸入阻抗遠遠大于R1，則IB可忽略，可簡化為。

1.2 理想模型的優化

在實際應用中，往往需要對一些阻抗較大的材料進行性能的測試，即通過對材料加一掃描電壓測出電流的變化情況。因為被測材料阻抗較大，所以電流往往很微弱。弱電流測量比較常見且可靠的方法是通過轉換電路，利用電阻將微弱的電流信號轉化為電壓信號，再將此電壓信號進一步放大后進行記錄分析。要實現這一過程必須設計合適的轉換電路。

需要改進一下幾點：

（1）對于上述理想模型忽略了IB，但在微弱電流測量中，為了獲得較高的放大器增益，R1的值必須取很大，否則不易準確測量微弱電流，但若R1取值太大，放大器的輸入阻抗應更大。因此需要考慮輸入阻抗足夠大的運算放大器。

（2）運算放大器需要外接限流電阻來保護輸入，防止輸入跟襯底之間的絕緣二極管正偏時破壞性電流的涌入，因此在輸入端加10K的限流電阻。

（3）PCB的滲透電流會輕易的超過運算放大器的偏流，需要對信號輸入腳使用支架，然后用導線跟PCB連起來。

（4）將R1換成可控的電阻，電路的轉換比將隨之改變，配合數據采集卡檢測、控制，電路還能實現量程的自動切換。因數據采集卡輸出模擬電壓一般為±5V，為提高測量范圍，利用集成運算放大器三倍放大至±15V，然后輸出部分再還原，可使電壓檢測范圍提高至±15V.

Rx綜上所述設計成如圖2所示電路。Rx為待測樣品，IC1作為的輸入電阻，電流全部流過它，R2、R2、R2、R2以及K2、K2為干簧管繼電器開關（繼電器線圈部分圖未畫出），受控于數據采集卡。Vin的電壓輸入范圍在-15～+15V，輸出電壓Vout的范圍是-5～+5V.

如上所述電路圖實現了微弱電流信號的測量，用于一些物理、化學材料的電性能進行測試實驗。

2 利用差分放大器進行電流檢測

在理想情況下，電流檢測僅僅是用電阻將電流轉換成電壓。但只用電阻不能組成完整的解決方案。在實際中最常見的解決方案是用一個檢測電阻直接與電流串聯，同時用一個放大器來調節電阻上的電壓。但是我們必須考慮到接地線的電阻，而且在系統中不同位置的電壓可能不同。基于上述情況我們必須采用差分放大器才可以實現準確測量。下面介紹差分放大器。

負載接地通路中“地”會隨著電流的變換而變化。因為必須保持相同的電平才可以避免引起的共模誤差。這一問題的解決方法是在電源和負載之間放置電流檢測電阻。不過應用于這種方法而言，電阻上面出現了一個非零的共模電壓。我們必須從電源共模電壓中分辨出小的差分檢測電壓。所以對電流檢測來說，共模電壓是關鍵所在。當共模電壓超過電源電壓時，如通過電動機（感性）的電流迅速變化，使得檢測電阻上出現了大的電壓擺幅。為了給克服電流檢測難題，設計了擁有高輸入阻抗、高增益和高增益準確度以及寬共模范圍和良好的共模抑制的高端電流檢測放大器。

3 消除共模電壓

當負載接地通路中“地”會隨著電流的變換而變化。這一問題的解決方法是在電源和負載之間放置電流檢測電阻。不過此時電阻上面出現了一個非零的共模電壓。共模電壓的差異會表現為附加的噪聲和偏移，損害了所需信號。

消除共模電壓誤差有很多方法。最常用和最有效的一種CMV矯正方式是差分放大，即采用模擬量減法，從信號中去除CMV分量。這種方法的缺點是每個信號通道上都需要一只專門的放大器。

改進差分放大電路可以將兩個共享的CMV放大器與八個復用通道中的簡單無源電阻對組合起來，以最少的元件數量為大量模擬通道實現CMV消除。

4 結語

由以上分析可以得出，兩種類型的電流檢測器都可以工作，但不同架構的優勢卻取決于截然不同的指標折衷。對于瞬態電流監控，寬帶寬的電流用電流檢測放大器最適合，但差分放大器更適合監控平均電流。此外，電流檢測放大器具有最小的輸入電源關斷偏臵電流泄漏，因此非常適合對電流消耗敏感的電源管理應用。不過，采用外部濾波器時，高端電流檢測放大器的輸入結構可能限制性能并要求仔細檢查，以確保在惡劣應用環境使用時不超過絕對輸入額定值。

參考文獻

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