[FAQ] [参考译文] [常见问题解答] INA193：使用 INA193-INA198产品测量 Vsense &lt；20mV

电流感应放大器不同于典型的运算放大器和仪表放大器、因为输入的共模可能超过器件的电源轨。  这些放大器具有不同的架构来实现这一目标、其工作方式的一部分是从输入端实际吸收一点电流、为放大器的第一级供电。  由于第一级不再由电源轨供电、因此电压可能会超过电源轨。  当使用由+5V 至 GND 单电源供电的部件测量12V、24V、48V 甚至80V 总线轨的电流时、这种方法非常方便。

当输入上的电压低于器件的电源电压时、前端的电源通常来自电源。  但是、随着输入电压上升、有一个转换点、电源不再能够为前端供电、并且使用输入端的电压。  您通常可以在器件的输入偏置电流中看到这种行为。  更有趣的是、对于可以接受明显负输入电压超过 GND 轨的器件、该器件实际上会将偏置电流从放大器中驱动出来、而不是灌入它！

在下图中、当输入电压高于10V 左右且电源为12V 时、IN+线路的偏置电流约为15uA。  随着输入端的电压越来越低、电源将接管对输入的偏置、因此电流会下降。  随着电压下降得更低、输入从 IN+线路拉出电流进入总线。  这种行为在器件系列和架构中略有不同、因此请务必查看数据表、并注意与不同应用和实现相关的电流。

输入偏置电流随电源电压和共模电压的变化而变化

INA193-INA198、INA200-INA208和 INA270-INA271产品具有相同的放大器通用架构、因此在对输入施加小感应电压时、这些产品具有类似的行为。  下面显示了简化的架构。  在这种情况下、单独的放大器(A1和 A2)处理器件的不同运行范围、主要由总线电压和电源电压的关系定义。

INA193-INA198系列电流感应放大器的简化版原理图

在系列数据表中、有五个工作区域、定义如下：

正常情况1：VSENSE≥20mV、VCM≥VS

正常情况2：VSENSE≥20mV、VCM < VS

低 VSENSE 案例1：VSENSE < 20mV、-16V≤VCM < 0V

低 VSENSE 案例2：VSENSE < 20mV、0V≤VCM≤VS

低 VSENSE 案例3：VSENSE < 20mV、VS < VCM ≤80V

了解应用的目标操作和设计区域非常重要。  对于正常情况1和2、大多数电气特性表和数据表中的典型曲线适用(它们通常按如下所示被称为：VSENSE = 20mV 至100mV)。  这些器件在该区域工作良好、对输入电压具有非常线性的输出响应。  对于1-3种低 VSENSE 情况、由于放大器不再在线性和单调区域中工作、因此输出会发生显著变化。  输出部分电气特性表中的参数几乎完全与低 VSENSE 情况下的放大器预期输出有关、并表示为 VSENSE < 20mV。

那么、当 VSENSE < 20mV 时、输出到底是什么样的？  这些器件的数据表中有一个部分称为 VSENSE 和共模电压导致的精度变化、其中对预期行为的观察进行了详细解释。  在 VSENSE 介于0mV 和20mV 之间时、低 VSENSE 情况1和3具有类似的行为。  数据表中的一些图显示了器件的一些测量行为、如下所示。  这些数据并不是每个器件的指示性数据----只是在室温下一次采样的几个单元的平均值。

低 VSENSE 情况1和3中的输出示例

必须了解的是、输出电压虽然看起来是线性的、但有一点偏斜、但不能保证输出电压。  实际上、在电气特性表的输出部分中、这些运行区域没有任何保证。  典型值只有300mV、这基本上意味着 VSENSE < 20mV 时的最低电压输出可能为300mV。  它可以更少、也可以更多。  对于 INA195、输出实际上可以是任何值、通常介于0V 和2V 之间(2V 是器件在 VSENSE > 20mV 时进入线性运行的地方)。  务必要了解、不建议设计一个系统来校准此行为。  行为因晶圆批次、晶圆批次、器件和器件而异、输入增益或偏移校正因数可能适用于一批次器件、但不适用于下一批次。

低 VSENSE 情况2可能显示不同的行为、如下面的示例图所示。  该图具体显示了不同器件的行为、以及了解该运行区域中的各种差异非常重要的原因。  在电气特性表中做出的唯一保证是低 VSENSE 情况2中的电压输出不会超过列出的阈值。  对于 INA195和 INA202、该限值为2V。  对于 INA193和 INA200、该限值为0.4V。

低 VSENSE 情况2中的输出示例

最好设计一个不依赖此运行区域的稳健系统、以便对这些器件系列做出应用关键型决策。  有许多方法可以实现这一目的-以下是一些方法。

1. 示例1： VCM = 40V、VS= 5V、目标电流范围为1A 至10A
   1. 选择一个足够大的分流电阻器、使最小电流产生的电压至少为20mV、以满足正常情况1的要求。  在本例中、1A * 20mΩ= 20mV。
   2. 确保您的放大器增益不会太大、以至于您的最高电流超出电源电压。  在本例中、10A * 20mΩ= 200mV。
      1. INA193 (G=20V/V) 200mV * 20 = 4V (将在5V 电源下工作)
      2. INA194 (G=50V/V) 200mV * 50 = 10V (对于5V 电源来说太大)
      3. INA195 (G=100V/V) 200mV * 100 = 20V (对于5V 电源来说太大)
2. 示例2：VCM = 5V、VS = 12V、相关电流范围为0A 至10A、增益= 100、感应电阻器= 10mΩ Ω
   
   1. 根据设计规格进行计算、VSENSE 将介于0mV 至100mV 之间、所需的输出将介于0V 至10V 之间。
   2. 由于该解决方案将尝试测量 VSENSE = 0mV、因此该器件将在低 VSENSE 情况2下运行。 查看 VSENSE 接近0mV 时的误差、并确定其是否可接受。
      
      1. 0mV 至20mV 的每个输入电压都可能产生2V 输出、这是整个输出范围的20%、从而将器件的精确线性区域限制为仅2V-10V 输出。
      2. 如果我们假设增益和偏移误差的影响是由低 VSENSECase 2行为引起的、那么最坏情况下、在0mV 输入下、输出可能为2V。
         1. 假设理想器件具有0偏移误差和理想增益误差、则在2A 时、误差= 0%。
         2. 在1.5A 时、如果输出为2V、则误差为|(2V -(1.5A * 10mΩ* 100))/((1.5A * 10mΩ* 100)|= 33%
         3. 在1A 时、如果输出为2V、则误差为|(2V -(1A * 10mΩ* 100))/((1A * 10mΩ* 100)|= 100%
         4. 在500mA 时、如果输出为2V、则误差为|(2V -(500mA * 10mΩ* 100))/((500mA * 10mΩ* 100)|= 300%
         5. 在250mA 时、如果输出为2V、则误差为|(2V -(250mA * 10mΩ* 100))/((250mA * 10mΩ* 100)|= 700%
      3. 通过增加电阻器来增加感测电压是一种选择、但需要更高的 VS 或更低的增益。
         
         1. 例如、使用20mΩ Ω 电阻器且增益= 50V/V 时、输入电压现在为0mV 至200mV、但输出仍然为0V 至10V。
         2. 放大器的线性区域现在将为1V-10V、而不是2V-10V、因为 VSENSE = 20mV、电流为1A、而不是电流为2A。
         3. 假设理想器件具有0偏移误差和完美增益误差、则在1A 时、误差= 0%(与100%的10mΩ Ω 电阻相比、G=100V/V)
         4. 在500mA 时、如果输出为1V、则误差为|(1V -(500mA * 20mΩ* 50))/((500mA * 20mΩ* 50)|= 100%(相比之下、10mΩ Ω 时为300%、G=100V/V)
         5. 在250mA 时、如果输出为1V、则误差为|(1V -(250mA * 20mΩ* 50))/((250mA * 20mΩ* 50)|= 300% (而10mΩ Ω 时为700%、G=100V/V)
   3. 选择一个不同的器件也将起作用-例如、LMP8640-H 将运行 VCM = 5V、VS = 12V、相关电流范围为0A 至10A、增益= 100、感测电阻= 10mΩ Ω、并且提供良好的偏移和增益误差规格、其中包括低 VSENSE 条件。
      
3. 示例3：VSENSE = 0mV 至40mV、VS = 5V、VCM = 20V、需要在低至 VSENSE = 0mV 时实现合理的高精度
   
   1. 由于 VSENSE 非常低、因此有许多适合器件的选项。  可接受在 A VS = 5V 时高达100V/V 的增益。
      
      1. LMP8640的增益为20、50和100、采用非常相似的封装、支持高达+42V 的共模电压。
      2. INA213、INA214、INA215的增益为50、100和75、非常小、精度高、并且支持高达+26V 的共模。
      3. INA199和 INA181等更具成本效益但精度更低的器件也是支持高达+26V 电压的出色选择。
   2. 当 VSENSE = 0mV 时、使用具有基准电压输入引脚的器件还有助于避免摆幅至 GND 误差。
      
      1. 有关摆幅至 GND 的更多信息、请参阅设计和调试指南一章： 了解摆幅至轨规格。
4. 示例4：与3相同、但也具有集成比较器(与 INA200-INA208产品系列相比)
   
   1. INA301、INA302和 INA303系列具有出色的规格和相同的增益选项、并支持高达36V 的共模。
5. 示例5： VSENSE < 20mV 且 VCM > 42V 的电路。
   
   1. INA282、INA240和 LMP8640HV、LMP8481系列支持具有修整增益电阻器和固定增益的电压、并支持高达76V 或80V 的共模。
   2. INA168和 INA169具有由电流输出上的输出电阻器确定的可变增益。  这些器件的工作电压高达60V
   3. 支持切换到低侧感应放大器和大多数电流感应放大器。