本文介紹一種計算電流檢測放大器（CSA）總直流誤差預算的系統方法。討論了各個誤差源，并提出了估計總誤差預算的方法。最后，分步過程解釋了如何使用計算器軟件，該軟件旨在幫助快速計算所選CSA的總誤差。

介紹

集成電流檢測放大器（CSA）經常用于測量電子電路中的電流。它們放大插入電流路徑中的檢測電阻上的小壓降，以執行關鍵的系統級功能。示例包括過流保護和監控器件、可編程電流源、線性和開關模式電源、電池充電器和電量計。雖然所需的電流檢測規格和實現方案與這些應用本身一樣多種多樣，但分析CSA誤差預算是每個設計的基本組成部分。在為應用選擇合適的器件時，徹底了解CSA誤差規格及其相互作用將證明非常有幫助。毋庸置疑，這種理解也將最大限度地減少最后一刻的設計迭代。

本文討論 CSA 誤差源，并概述估算總誤差預算的方法。分步過程解釋了如何使用Maxim Integrated開發的計算器軟件。該軟件通過簡單的基于Web的GUI，確定任何選定的Maxim CSA的總直流誤差預算。應用示例將使讀者熟悉計算器的基本操作。設計提示和消息標志將提醒您任何與CSA規范不一致的電路條件。

電流檢測放大器中的誤差源

CSA 中普遍存在多種直流誤差源。每個都經過簡要回顧。

輸入失調電壓

與運算放大器類似，輸入失調電壓（V操作系統） 定義為必須施加在 CSA 輸入端以將輸出電壓驅動至零的電壓。失調誤差通常不直接測量，因為在單電源情況下，CSA的輸出不能低于輸出電壓低（V老） 限制。因此，輸入 V操作系統更準確地推斷為觀察到的 V 的線性回歸之間的交集外和 V意義V上的傳遞曲線意義軸如圖1所示。

圖1.輸出電壓與檢測電壓的關系圖用于確定失調電壓。

如果 V輸出1是用V測量的輸出電壓意義= V感1，如果 V輸出2是用V測量的輸出電壓意義= V感2，然后 V操作系統可以用以下公式計算：

（公式1）

CSA中由輸入失調電壓引起的折合到輸出端的失調誤差由下式表示：

其中G = 放大器的預期增益。

最小化失調電壓誤差成分的一種方法是選擇較大的檢測電阻值。較大的值產生更高的檢測電壓，從而減少誤差預算中的失調電壓誤差分量。但是，有一個警告。選擇外部 R意義電阻是電阻兩端可接受的壓降或功耗與CSA失調誤差之間的微妙平衡。對于無法使用較大檢測電阻的高電流精密應用，精密CSA可能是更好的選擇。

增益誤差

增益誤差定義為觀察到的差分增益相對于CSA的理想差分增益的百分比偏差。理想增益要么在內部固定，要么由外部電阻之比設置。

從圖1中觀察到的增益為：

（公式4）

因此，增益誤差測量傳遞函數的觀測斜率相對于理想斜率的百分比偏差。

增益誤差分量產生的折合輸出誤差指定為：

（公式5）

增益非線性

完全線性的CSA在傳遞曲線中表現出恒定的斜率。通常，如果輸出擺幅在線性區域內，則與失調和增益誤差相比，增益非線性可以忽略不計。（此區域將由 CSA 數據手冊上的輸出電壓高和輸出電壓低規格指定。因此，在計算總誤差預算時，可以安全地忽略增益非線性誤差。

共模抑制比

共模抑制比（CMRR）衡量CSA抑制兩個輸入共有的輸入信號變化的能力。數據手冊中的CMRR規格通常是指輸入。CMRR 由以下公式定義：

（公式6）

共模輸入電壓變化的最大輸出折合誤差指定為：

地點：
數據表 V厘米= 共模電壓，數據手冊中描述了CSA的增益誤差和失調誤差。
最小 V厘米= 施加在用戶電路中的最小共模電壓。
最大 V厘米= 施加在用戶電路中的最大共模電壓。

電源抑制比

電源電壓抑制比 （PSRR） 測量 CSA 抑制電源電壓任何變化的能力，V抄送.數據手冊上的PSRR規格通常參考輸入端，以便將其影響與施加的差分信號進行比較。電源電壓變化導致的最大輸出折合誤差指定為：

其中：
數據手冊VDD = 電源電壓，數據手冊中描述了CSA的增益誤差和失調誤差。
最小VDD = 用戶電路中施加的最小電源電壓
最大VDD = 用戶電路中施加的最大電源電壓

檢測電阻容差

由于大多數CSA使用外部檢流電阻，因此在計算總誤差預算時還必須考慮檢測電阻的容差。使用容差嚴格的電阻器來最小化此誤差分量。此外，對于大電流應用，強烈建議使用4線開爾文連接電阻以獲得最佳效果。

檢測電阻容差折合到輸出端的誤差由下式給出：

（公式9）

輸出電阻容差

帶電流輸出的CSA（如MAX9934）通常與終端電阻配合使用，將輸出電流轉換為電壓。電流輸出具有顯著優勢：多個CSA可以在同一端接電阻上多路復用。電流輸出架構的另一個優點是，如果輸出電阻端接至ADC地，則CSA相對不受接地反彈誤差的影響。然而，輸出電阻容差是總誤差計算中必須考慮的另一個元件。輸出電阻容差的誤差為：

（公式10）

其中 GM= 跨導增益。

系統錯誤預算

設計人員經常發現使用最壞情況的方法來計算CSA的總誤差很誘人。在這種方法中，總誤差計算為所有單個誤差源的簡單總和。雖然最壞情況方法保證永遠不會超過誤差限值，但它通常會產生過于保守和不準確的估計。在最壞情況下的方法中做出的一個隱含假設是，所有單獨的誤差源都是相關的，并且具有相同的極性。

另一種方法是平方根和 （RSS） 分析。在這里，總誤差是單個誤差的平方和的平方根。RSS 基于這樣一個事實，即在添加隨機（正態分布或高斯）測量的兩個分布時，結果分布的標準差等于初始分布標準差平方和的平方根。當各個錯誤源不相關時，RSS 方法比最壞情況方法更現實，例如在 CSA 的情況下。如果使用保證的單個錯誤的最壞情況數，則 RSS 分析會產生最合理的結果。

關于 RSS 方法的一個有趣事實是，盡管它導致的總誤差大于單個誤差項，但主導誤差項通常會使所有其他項黯然失色。

使用RSS方法，電壓輸出CSA的總誤差預算如下：

（公式11）

使用RSS方法，電流輸出CSA的總誤差預算如下：

（公式12）

在這些計算中，所有誤差源都必須引用到同一節點，通常是輸入或輸出。這一點很重要，因為CSA的增益通常大于單位，因此輸出誤差的絕對大小大于輸入誤差幅度。

電流檢測誤差預算計算器

Maxim Integrated開發了一種新的計算器，以幫助設計人員估計所選CSA的總誤差。該軟件免費提供，只需要用戶輸入幾個特定于應用程序的信息字段。它會自動從所選CSA的數據表中預填充相關規格，并使用RSS方法輸出預期的最大總誤差。如果在輸入數據時無意中犯了錯誤，計算器還會標記用戶。例如，如果輸入檢測電壓超過推薦的滿量程檢測電壓、電源電壓超出范圍、未滿足輸出擺幅約束等，它將提醒用戶。

要開始使用該工具，按照以下說明操作：

使用電流檢測誤差預算計算器

考慮過流保護電路的設計，該電路要求CSA滿足以下規格：

輸入跳變點 = 50A（單向）

檢測電阻容差 = 0.5%

檢測電阻 = < 1mΩ

電源電壓范圍 = 4.5V 至 5.5V

輸入共模電壓范圍 = 12V 至 18V

總誤差預算 = < 2%，這意味著 CSA 增益誤差< 2% 和 V操作系統< 1mV，因為單個誤差不能超過總誤差預算

第 1 步。參數搜索

基于上述標準，參數搜索篩選出以下候選CSA：MAX9922、MAX9918、MAX9929F、MAX4080、MAX4373和MAX4172。

第 2 步。電流檢測誤差計算器輸入

要根據總誤差預算縮小上述列表，請使用電流檢測誤差預算計算器。從Maxim CSA器件編號下拉框中選擇一個CSA，然后輸入特定于應用的輸入參數（圖2）。

圖2.用戶必須輸入的輸入字段。

第 3 步。驗證數據手冊規格

計算器自動填寫所選CSA數據手冊中的最大失調誤差、最大增益誤差、CMRR和PSRR規格。默認情況下，這些規格對應于T = 25°C，如圖3所示，MAX9922 CSA。

圖3.計算器從選定的 CSA 數據表中預填充相關規格。

現在按 計算 按鈕記下軟件計算的總誤差。

第 4 步。數據表覆蓋

即使計算器預先填充了數據手冊中的增益、失調誤差、增益誤差、CMRR和PSRR值，它也很靈活。如有必要，可以將這些值替換為用戶指定的值。例如，設計人員可能有一個用于校準和消除軟件失調電壓影響的規定，在這種情況下，非精密CSA也可能滿足誤差預算要求。其他用戶可能對數據手冊中的最壞情況溫度規格更感興趣，而不是默認的T = 25°C。

要替換預填充數字的值，請使用“輸入替代”字段進行特定于應用程序的調整。回到MAX9922示例，按下計算按鈕會產生圖4所示的錯誤。計算器提示用戶降低增益，因為輸出電壓不能超過器件的輸出電壓上限。

由于MAX9922的增益是可調的，只需在相應的數據資料覆蓋字段中將增益降低至60V/V即可。更新增益后，圖5顯示了由此產生的總誤差預算。

圖 4.錯誤消息示例，如果不滿足任何設備約束。

圖 5.所選 CSA 的計算誤差預算。

第5步。選擇不同的 CSA

要評估下一個CSA（例如MAX9918）的誤差預算，只需更改Maxim CSA器件編號下拉框中的選擇。無需重新輸入輸入參數。單擊每個 CSA 選擇后的計算按鈕以獲取相應的誤差預算。表 1 列出了此示例入圍的所有 CSA 的錯誤預算數字。結果表明，只有MAX9922和MAX9918滿足該應用的總誤差預算標準。

總結

本文介紹了電流檢測誤差預算計算器，這是一個強大的工具，用于快速、合乎邏輯地識別CSA選擇。本文還解釋了更好地了解 CSA 錯誤規范的重要性。這些知識和計算器將共同幫助設計人員為應用選擇最佳的CSA。作為計算器基礎的RSS誤差分析方法可以進一步擴展，以計算多個電子元件或電路的系統級精度性能。

審核編輯：郭婷