器件型号：INA181
问：如何解读和利用电流感应放大器的输出摆幅规格，以便我能得到可以检测电流的最大值？
答：了解放大器的输出电压 (VOUT) 摆幅到正负电源轨的接近程度对于设计而言极其重要，因为摆幅越大，您可以从放大器的输出中获得的测量结果的意义就越大。一般而言，由于输出级晶体管的饱和电压，放大器输出级的输出摆幅与电源轨的接近程度在物理上受到限制。
放大器或电流分流监控器 (CSM) 的 VOUT 摆幅通常可在数据表的电气特性表（具体而言是在“输出”部分）中找到。以下是我们的某个 CSM (INA181) 的示例。
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图 1：INA181 电气特性电压输出规格 |
有关图 1 中的规格，有两个重要的细节需要注意。一个是在负载 (RL = 10kΩ) 下完成测试，这意味着输出电流 (IOUT) 很小（约为 5V/10kΩ = 500uA）。二是放大器的输入被过驱动，以产生尽可能大的摆幅以接近电源轨，这意味着放大器不在其线性范围内运行。过驱动意味着差分输入电压 (VIN = VIN+ - VIN-) 大于允许的最大输入（例如 250mV）或小于最小输入（例如 -250mV）。这并不是显而易见的，但却是标准做法，在页面底部的注释“(3)”中有进一步说明。
此外，如果设计人员想知道输出级的线性工作范围，他们可以查看各种性能规格的测试条件。对于标准运算放大器，他们可以查看用于生成开环增益规范的 VOUT 范围。由于 CSM 是闭环，因此您可以查找，用于生成gain error (EG) 或Nonlinearity error规范（图 2）的线性 VOUT 范围。注意：距离电源轨的 500mV 是一个非常保守的 Vout 线性范围。实际上，大多数放大器的线性范围距离每个电源轨100mV，尤其是在考虑典型工作温度时。您可以点击此处，详细了解放大器输出级线性范围。
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图 2：INA181 的输出规格 |
如果设计人员知道自己的设计将处理较重的负载（较低 RL），因此使用较高的 IOUT 电流电平，则必须遵从输出电压摆幅与输出电流间的关系图（直观地称为“爪形曲线”）。此图将让设计人员了解负载对 VOUT 范围有何影响。图 3 显示了 INA181 数据表中的此曲线。您可以看到，随着 IOUT 增加，VOUT 摆幅会减小，这始终是放大器的典型情况。
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图 3：输出电压摆幅与输出电流间的关系 |
VOUT 摆幅的另一个考虑因素是它在零电流条件下与输入共模电压 (VCM) 下能够摆幅到地的程度。注意零电流条件意味着 VIN = 0V，而过驱动意味着 VIN<0V 或 VIN>满量程。当 CSM 处于单向运行（感应分流电流朝一个方向流动）时，这一点非常重要，因此器件基准引脚可被驱动到地以实现完整的输出范围。下面的图 4 显示了当器件以地为基准时，您可以预期器件摆幅的低度。
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图 4：零电流输出电压与共模电压间的关系 |
如果 CSM 的输入失调电压 (VOS) 大于零，那么 VOUT 摆幅到地的程度将受 VOS* 增益的限制，VCM 增加时总是这种情况，即使 VOS 最初是负值也是如此。由于 VOS 随 VCM 而变化，因此我们可以使用数据表中的图 4 确定零电流条件下摆动至地的程度。
下面是一个使用 INA181A3 的示例，增益为 100V/V，我们使用 5V 为其供电。 假设我们要测量 1A 和 50A 之间的电流，我们选择一个 1mΩ 分流电阻器。 这意味着我们将得到 1A * 1mΩ = 1mV，然后将其乘以 100V/V，以获得 100mV 的预期输出。 INA181 至 GND 的摆幅为 GND+5mV，因此可接受 100mV（高于 5mV）的预期最低输出。 但在 50A 下，输入端的感应电压将为 50A * 1mΩ = 50mV，我们将其乘以 100V/V，以获得 5V 的预期输出。 摆动到电源轨的规格为 Vs-0.03V，因此 INA181A3 在这些条件下的最大输出仅为 4.97V，5V 超过该值。
那么，怎么做才能让此电路正常工作呢？ 有一些选项。
1.将电源电压在 5V 上至少增加 30mV（但小于器件的最大值）。 这通常不是设计中的选项，因为电源通常固定在 1.8V、2.5V、3.3V、5V 等常见值。
2.选择增益较低的器件。 INA181A2 的增益仅为 50V/V，因此所需的最大输出电压仅为 2.5V，远低于 4.97V 的限值。
3.选择更小的分流电阻器。 减小分流器的值也会减小输入信号的大小，随后减小输出信号的大小。 从 1mΩ 切换到 0.5mΩ 会实现与选项 2 相同的操作。
4.另选一个摆幅至轨规格更合适的放大器。 例如，INA199 的摆幅至 Vcc 规格为 Vcc-0.2V。 当输出接近 Vcc 时，从 INA181 切换到 INA199 将会缩小电路的可用输出范围。 但是，INA199 可支持最高 26V 的电源电压，而 INA181 最大值为6V，因此选项 1 值得再次研究。
