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器件型号：INA181 主题中讨论的其他器件： INA199
如何解读和利用电流感应放大器的输出摆幅规格、以便充分利用电流测量结果？
了解放大器的输出电压(VOUT)与正负电源轨之间的摆幅是非常重要的，因为摆幅越大， 您可以从放大器的输出中获得的测量结果就越有意义。 一般而言，由于输出级晶体管的饱和电压，放大器的输出级在物理上受到限制，无法与电源轨摆动。
放大器或电流分流监控器(CSM)的 VOUT 摆幅通常可以在数据表的电气特性表中找到，特别是“输出”部分。 以下是 CSM 的一个示例，即 INA181。
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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。 一种是在一个负载(RL = 10kΩ Ω)下完成测试、这意味着输出电流(IOUT)很小(~10kΩ 5V/k Ω= 500uA)。 第二、放大器的输入被过驱动、从而尽可能为电源轨创建最大的摆幅、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(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)。 这并不是马上显而易见的，而是一种标准做法，并在第页底部的注释“(3)”中作了进一步说明。
此外，如果设计人员想了解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、他们会查看用于生成开环增益规格的 VOUT 范围。 由于 CSM 是闭环，因此可以查找用于生成增益误差(EG)或非线性误差规格的线性 VOUT 范围(图2)。 请注意：相对于电源轨的500mV 是 一个非常保守的 输出电压线性范围。 实际上、大多数放大器相对于 每个电源轨具有高达100mV 的线性电压 、尤其是在考虑典型工作温度时。 您可以 在此处阅读有关放大器输出级线性范围的更多信息。
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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在较重的负载(较低的 RL)下工作，因此 IOUT 电流电平会更高，则必须推迟到输出电压摆幅与输出电流间的关系图，或直观地称为“爪形曲线”。 该图将让设计人员了解负载对 VOUT 范围的影响。 图3显示了 INA181数据表中的此曲线。 您可以看到、随着 IOUT 增大、VOUT 摆幅减小、而放大器始终是这种典型情况。
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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在零电流条件下相对于输入共模电压(VCM)的摆幅如何接近接地。 请注意、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(感测分流电流朝一个方向流动)时、这一点很重要、因此可以将器件基准引脚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 GND 为基准时、器件摆幅的预期值有多低。
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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 的输入偏移(VOS)大于零，则 VOUT 到接地的摆幅将受 VOS *增益的限制， 即使 VOS 初始为负 ，但 VCM 增大时也将始终出现这种情况。 由于 VOS 随 VCM 而变化、因此我们可以使用数据表中的图4确定零电流条件下的摆幅至接地。
下面是一个使用 INA181A3的示例、它的增益为100V/V、我们使用5V 为其供电。 假设我们要在1A 和50A 之间进行测量、我们选择1MΩ Ω 分流电阻器。 这意味着我们将看到1A * 1MΩ= 1mV、然后我们将其乘以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 (大于5mV)的预期最小输出。 但是、在50A 时、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。 相对于电源轨的摆幅规格为 Vs-0.03V、因此 INA181A3在这些条件下的最大输出仅为4.97V、5V 超出该值。
那么、可以采取什么措施来使该电路正常工作？ 有几个选项。
1.将电源电压在5V 电压下至少增加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 限制。
3.选择较小的分流电阻器。 减小分流器的值将减小输入信号和随后的输出信号的尺寸。 从1MΩ Ω 切换到0.5mΩ Ω 可实现与选项2相同的操作。
4.选择具有更合适摆幅至轨规格的不同放大器。 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将减小电路的可用输出范围。 但是 、INA199 可支持高达26V 的电源电压、其中 INA181在6V 时达到最大值、因此选项1值得再次研究。