[FAQ] INA181: 了解电流分流监控器和放大器的输出摆幅

如何解读和利用电流感应放大器的输出摆幅规格，以便我能够充分利用电流测量结果？

了解放大器的输出电压 (V_OUT) 与正负电源轨摆幅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，放大器的输出级与电源轨摆幅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 V_OUT 摆幅通常可在数据表的电气特征表（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。

图 1：INA181 电气特征电压输出规格

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 (R_L = 10kΩ) 下完成测试，这意味着输出电流 (I_OUT) 很小（约为 5V/10kΩ = 500uA）。二是放大器的输入被过驱动，以产生尽可能大的轨摆幅，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 (V_IN = V_IN+ - V_IN-) 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，他们可以检查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 V_OUT 范围。由于 CSM 是闭环，因此您可以查找线性 V_OUT 范围，此范围用于生成增益误差 (E_G) 或非线性误差规范（图 2）。注意：相对于轨的 500mV 是一个非常保守的 Vout 线性范围。实际上，大多数放大器在每个轨上的线性电压高达 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。

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 R_L），因此使用较高的 I_OUT 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 V_OUT 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 I_OUT 增加，V_OUT 摆幅会减小，这始终是放大器的典型情况。

图 3：输出电压摆幅与输出电流间的关系

V_OUT 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 (V_CM) 下能够摆幅到接地的程度。注意零电流条件意味着 V_IN = 0V，而过驱动意味着 V_IN<0V 或 V_IN>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接地以实现完整的输出范围。下面的图 4 显示了当器件以接地为基准时，您可以预期到的器件摆幅有多低。

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 (V_OS) 大于零，那么 V_OUT 摆幅到接地的程度将受 V_OS* 增益的限制，V_CM 增加时总是这种情况，即使 V_OS 最初是负值也是如此。由于 V_OS 随 V_CM 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接地的程度。

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 的摆幅至 GND 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。  摆动到轨规格为 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（但小于部件的最大值）。  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 在 6V 时会达到最大值，因此选项 1 值得再次研究。