基于MAX4080检流放大器的的失调电压设计

　　引言

　　检流放大器是广泛用于电子设备实时监测负载电流的成熟IC。系统控制器根据负载信息进行电源管理运算，以更改负载电流本身的特性，并可提供灵活的过流保护方案。

　　检流放大器在放大微弱的差分电压的同时能够抑制输入共模电压，该功能类似于传统的差分放大器，但两者有一个关键区别：对于检流放大器而言，所允许的输入共模电压范围可以超出电源电压（VCC）。例如，当MAX4080检流放大器工作在VCC = 5V时，能够承受76V的输入共模电压。采用独立的放大器架构，电流检测放大器不会受电阻不匹配造成的共模抑制（CMRR）的影响。MAX4080具有100dB （最小值）的直流CMRR，而基于传统运放的差分放大器则受CMRR限制，其有效输入VOS通过信号链路是被放大。

　　通过校准提高精度

　　MAX4080检流放大器具有精密的输入失调电压（VOS），25°C时最大值为±0.6mV，在整个-40°C至+125°C温度范围内，最大值为±1.2mV。但是，许多应用需要更高的电流测量精度，因此需要对输入VOS做进一步校准。这种校准通过在生产过程中测量VOS并将结果存储在固件中实现。利用所存储的数据，当设备在现场投入实际使用时，可以在数字域调整VOS。

　　为便于生产，校准的首选方案是：在负载电流为零（零输入差分电压）时测量VOS。可以测量输出VOS并在以后的测量数据中减去该电压。不幸的是这种方法存在一个缺点，由于VOL （最低输出电压）和输入VOS相互影响，输出电压可能无法精确地反映输入VOS。所有单电源供电放大器均存在这一问题。

　　以增益为20的MAX4080T为例，并假设输入VOS为零，此时放大器输出的测量值应该为零。而实际情况是：即使在零输入差分电压下，放大器也不能保证输出电压低于15mV （10μA吸电流）。如果直接把测量到输出电压用于VOS校准，放大器的输入VOS为0.75mV （15mV/20 = 0.75mV）。

　　同样，如果MAX4080T具有VOL = 0，则正电压输入VOS应该产生正的输出VOS。而负电压输入VOS则不会“反映到”输出端，因为放大器不能产生低于地电位的输出电压。这样，在零输入差分电压下，不能通过“直接”测量输出电压来校准输入VOS。

　　生产过程中，有两种方法校准VOS

　　双向检流放大器具有内部基准，例如：MAX4081具有1.5V基准，能够将输出测量电压偏置在1.5V，这样，输入差分电压为零时，输出为1.5V ±VOS，引入误差。1.5V电压高于放大器的VOL，不会影响误差分析。可通过测量输出电压与1.5V理论电压之差计算得到VOS误差。但是，这种方法有一个缺点：降低了动态范围。对于0至5V输入动态范围的ADC器件，动态范围降低了30%，输出范围为1.5V至5V。另外，这种方法需要使用价格较高的双向检流放大器，用于单向测量。最后，利用一个低漂移1.5V基准或额外的一个通道的目的只是为了测量该1.5V基准电压，设计人员很难接受这种方案。

　　两点测量法对检流放大器施加两个已知的差分输入电压（负载电流）。首先，基于测量电压，利用直线逼近法在图表上外推出零检流电压对应的输入VOS。然后，利用电压测量值进行校准。这种方法的缺点是：需要提供两个“已知”的精密电流值，生产中很难得到这样的电流，同时还增加了测试时间。最后，需要注意的是：对于接近零的差分输入电压，很难得到精确的测量值，因为在极小的检测电压下，VOL限制会产生误差。

　　利用输入电阻调整输入VOS

　　本应用笔记介绍了第三种检流放大器输入VOS的测量方法。同样以MAX4080为例，作用一个零输入差分电压，能够抵消VOL与VOS间的相互影响—可以方便地用于生产线测试。

　　所有的检流放大器都具有输入偏置电流，必须慎重使用输入电阻（例如，作为输入滤波器的一部分），因为电阻会引入不确定的增益和失调误差。应用笔记3888：“带有输入串联电阻的电流检测放大器的性能”讨论了上述问题。本文采用类似技术，但特意选择不匹配的输入电阻，以引入额外的输出VOS。MAX4080的偏置电流可进行温度补偿，整个工作范围内偏置电流为5μA （典型值）和12μA （最大值）。在RS-串联一个2kΩ电阻（图2），以产生典型值和最大值分别为10mV和24mV的输入VOS。所引入的VOS产生相应的输出失调范围为200mV （典型值）和480mV （最大值），足以克服MAX4080 VOL和VOS的限制。输入电阻引入的误差VOS与温度有关，取决于输入电阻的温漂特性（通常为100ppm）和偏置电流（忽略不计）。

　　在100°C温度变化范围内，+100ppm电阻温漂特性将产生+1%的阻值变化（即+20Ω）。这样，输入电阻产生的附加输入VOS漂移典型值约为+0.1mV，最大值为+0.24mV （整个偏置电流变化范围内）。而这一温漂值在没有进行校准的情况下仅占输入VOS双向误差（±0.6mV）的20%，在没有校准的情况下这是一个可以接受的结果。

　　进一步减小串联输入电阻可减小漂移误差。假设整个温度范围内具有15mV的VOL和±1.2mV的输入VOS，附加输入VOS的最小值必须为1.2mV + 15mV/20 = 1.95mV ≈ 2mV。MAX4080忽略了测试放大器本身的VOS温漂，测量到的VOS温漂由输入电阻和其ppm温漂产生。

　　带有输入电阻和不带输入电阻情况下的温度测试结果

　　VOS -40°C +25°C +85°C +125°C

　　No Input ResiSTors -0.015mV 0mV -0.005mV -0.01mV

　　2kΩ in Series with RS- 9.69mV 9.73mV 9.76mV 9.80mV

　　结论

　　本应用笔记介绍了一种校准输入失调的方法，该方法通过适当调整输入电阻在检流放大器MAX4080中引入一个已知的输入VOS。设备制造商可以在生产过程中利用这种方法校准零输入电流下的VOS，提高实时测量精度。