[FAQ] [参考译文] [常见问题解答] INA190：失调电压(Vos)和偏置电流(IB)如何影响低电流测量

感应电流(或一般使用放大器)时，需要考虑多个误差源，例如 CMR、PSR、噪声、增益误差和电压偏移漂移，但两个器件属性(输入偏置电流(IB)和输入失调电压(VOS))对于直流精度至关重要，特别是在低电流应用中。 在这两个误差源中，主要误差源通常是用于 在低电流应用中使用电流分流监控器(CSMS)的 IB *。

考虑 Vos 的误差

• 限制可测量的最小 VSHUNT
• Vos 建模为同相端子处的正电压源。
• 数据表中 Vos 的特征通常是将输入短接在一起(VSENSE = 0)并测量输出。
• Vos 误差百分比： EVOS = Vos_max/Vshunt_min ×100            (公式1)

图1：建模了 CSM Vos 的典型高侧电流感应应用

请记住、由于 CMR 限制、Vos 将随共模电压(VCM)而变化。 VCM 被定义为两个输入引脚共用的平均电压、但是对于这个分析、由于分流电压很小、所以大约为 VBUS。 您可以在以下 参考设计中的完整误差分析中以 示例形式了解如何计算该误差、当然也可以观看我们 的电流感应放大器培训视频系列。

总体而言、Vos 越高、 VSHUNT_MIN 越高 、才能满足某个最小电流的误差要求。 这意味着您可以增加 RSHUNT (尽管成本、功耗和布板空间较小)、也可以选择 Vos 较低的器件。 此外、您还可以执行单点系统校准、以校准特定器件的偏移。 这需要测量器件的偏移、将该值存储在存储器中、并在将输出测量值转换为电流值时减去该值。 这是可能的、因为在类似条件(温度、功率、VCM 等)下、单个器件的偏移将保持不变。

考虑 IB 的误差

• 直接限制最小可测量电流(或 ISENSE)。
• 在实现输入 PI 滤波器时限制电阻器值。 请 访问此处 了解更多信息。
• 和 IQ 一起影响功耗。
• IB+和 IB-被建模为放大器中的电流源、而 Ios 是它们之间的差异。
• 数据表中的 IB 通常通过将输入短接在一起(VSENSE = 0)来表征。
• EIB = IB ×RSHUNT/VSHUNT_MIN_ideal ×100 = IB/ISENSE_MIN ×100          (公式2)

图2：建模了 CSM 的 IB 的典型高侧电流感应应用

虽然可以轻松计算 EIB、但您实际尝试测量的电流将决定您是否看到测量值高于或低于预期值。 例如、如果您采用图2中所示的高侧方案、

VSHUNT =(ISOURCE - IB+)×RSHUNT = (Iload + IB-)×RSHUNT

因此，根据此公式，如果 Ib >0，则 ISOURCE 测量值将低于真正 的 ISOURCE 值，而 ILOAD 测量值将高于真正 的 ILOAD 值。

与 Vos 类似、IB 也可能随 VCM 而变化。 例如、在 INA240数据表中 、显示了 IB 与 VCM 之间的关系图(请参阅图3)、并可以让您了解设计人员对各种 VCM 的 IB 预期结果、即使器件断电也是如此。

图3：大多数数据表 IB 规格是在共模电压大于电源电压时定义的。

另请注意，IB 将随输入电压 VSHUNT (VDIFF)的变化而变化，请参阅下面图4中 INA240的 IB 行为与 VDIFF。 此行为主要由器件的差分输入阻抗决定。 在某个点、对于正 Vdiff、IB-可能变为负、但这将发生在器件的动态范围之外。  

图4： IB+和 IB-如何随 VDIFF 的增加而变化

好的、最后是… 让我们来展示一下这些误差在低电流应用中的表现。 假设我们希望使用由5V 电源供电的 INA240在12V 共模下感测250µA μ A 至1mA 的高侧电流。  

 250µA、使用公式2、我们可以快速计算出仅 IB (90µA μ A 典型值)在检测 μ A 时会产生大约36%的误差、在检测1mA 时会产生9%的误差。 假设此误差是可以接受 的、您可能会确定最优的 RSHUNT 应该介于5Ω Ω 和25Ω Ω 之间。 让我们使用 图4中的 IB 值以及5Ω Ω 和25Ω Ω 的分流电阻器来计算理论上的数字。 结果见表1。

表1：确定低电流范围的误差和输出电压以及两个不同的分流电阻值。 绿色电压输出表示 VOUT 处于输出摆幅范围内、红色表示值超出输出摆幅范围。

很明显 ，无论 RSHUNT 值如何，IB 都是主要的误差来源。 如果增加 RSHUNT，您不仅会  根据图4增加 VDIFF 和 IB，而且会开始失去动态范围，因为 VOUT 不能超过5V。 如果您降低 RSHUNT、EVOS 将开始导致总误差。

如果我们需要更少的误差、该怎么办？

备选方案1–选择 具有较低 IB 的 CSM (提示：INA190)

INA240由于其增强的 CMR 抑制功能、因此更适合直列式电机控制。 表2中列出了其他电流传感器。 请注意 INA190、它的 IB 比所有其他器件低三个数量级。 这是因为它的容性耦合输入级提供了更高的输入差分阻抗。

表2：根据典型 IB 排序的电流感应放大器

另请查看 TI 在下方提供的低电流测量设计。

TIPD135 - 10uA-100mA、0.05%误差、高侧电流感应解决方案参考设计

TIPD156 -低漂移双向单电源低侧电流感应参考设计

TIPD104 -电流感应解决方案、10uA-10mA、低侧、单电源

TIPD129 - 0-1A 单电源低侧电流感应解决方案

备选方案2–实现仪表放大器

仪表放大器似乎可以完成与电流分流监控器相同的任务，甚至可以具有相同的器件名称前缀‘INA’，例如 INA240 (电流分流监控器)和 INA121 (仪表放大器)。 但是、它们不同的内部拓扑具有不同的优势。

仪表放大器确实具有非常高的输入阻抗、因此其偏置电流可能非常低(~pA)、但仪表放大器受限于其 VCM 与 VOUT 曲线、在给定电源和增益的情况下、您可以在此处进行计算。 另一方面、CSMS 本身可以拥有非常大的共模范围。 尝试在上一个示例中替换仪表放大器，您将会意识到只有电源大于12V 时，它才会起作用(参见下面的图5)，这会增加成本、电路板空间和功耗。 您可以 在此处下载该工具。

图5：显示了仪表放大器在共模下的轨限制

备选方案3–使用运算放大器(OPA)实施低侧电流感应方案

这将需要一个具有真正轨到轨输入(RRI)共模范围的放大器、除非设计人员授予此 OPA 负电源、这将增加成本和布板空间。 虽然您当然可以选择具有低 IB、低 VOS 和体面 GBW 的 RRI 放大器、但您应该期望降低增益精度、更高的 IQ、更高的漂移、增加外部电阻器的布板空间/成本以及不再真正为0伏的接地电势。 此外、低侧电流分流方案无法确定地区分正在关闭的系统和您所测量的总线电源对地短路的故障情况。 在这两种情况下、OPA 将读取零电流条件(VDIFF = 0V)。