尊敬的 Henry：

您可以考虑使用单个精密放大器在单级放大器上执行 Sallen-Key 低通滤波器功能/缓冲器。  Sallen-Key 提供高输入阻抗。  如果您想以10nA 的精度测量电流、可以考虑使用精密 CMOS 线性运算放大器器件、例如 OPA192、它具有非常低的输入偏置电流 、典型值为±5pA、具有低失调和低漂移。

如果您对精确测量达到5V 满量程感兴趣、而不关心高于5V 的运算放大器输出、您可以使用+6.5V 和-5V 电源为缓冲器/滤波器放大器供电。  Sallen-Key 滤波器配置 在同相放大器输入端使用电阻器。  如果故障期间的 RSENSE 电压将达到+12V、您可以设计滤波器并调整输入电阻器组件、以便串联电阻保护运算放大器同相输入、从而在 RSENSE 达到12V 时发生故障期间限制输入电流。

请注意、在 使用 OPA192的情况下、故障期间运算放大器的输出仅受运算放大器电源的限制。  如果运算放大器由+6.5V 和-5V 双极电源供电、并且您的 ADC 只能承受0V 至5V 的单极电压、您仍需要在运算放大器输出端设置钳位、以便在出现故障时保护 ADC 免受负电压和5.3V 以上的电压影响。

谢谢。此致、

路易斯

您好、Luis：

感谢您的反馈和建议。 我对这两种方法(具有集成开关的放大器或对数放大器)作为一种可能的解决方案非常感兴趣。

但我想请您对我必须尽可能实现最佳精度的想法发表意见。 我想在一个增益为1或2或者可能更高(取决于所使用的感测电阻)的感测电阻上使用一个差分放大器。 然后是已经讨论的 LPF。 例如、如下面的图1所示。 需要说明的是、最近有一项要求迫使我使用较小的限流电阻器、其电阻值可能在30到40k 之间。 而且、由于系统的高电压、我还需要使感测电阻保持相对较低的值、以便该比率不会在感测节点处产生过高的电压。 我希望检测电阻的电阻值大约在500到1k 欧姆之间。

关于差分放大器和检测电阻、我认为最好通过将其与另一个电阻器串联来将其从地面上"提升"。 这是降低共模噪声的有效技术吗？ 由于差分放大器的内部电阻器、传感电路的输入阻抗是否显著降低(图2)？ 这一定是一件坏事吗？

图1差分放大器+ LPF

图2差分放大器引脚排列

谢谢！

您好、Luis、您说得对、我需要对我的要求更加清楚。 特别是我主张需要使用较小的检测电阻器、因此低电流范围内的精度将受到影响。

1)直流精度-在纳安范围内、它并不那么重要、但我希望能确信当系统报告低于1uA 时、我"在球场中"。 电流高于1uA 时、我需要相当精确。 即、对于电流大于1uA 的情况、我希望处于5%以内。 低于1uA、10-20%的精度可能已经足够好了。

2) 分辨率-此系统的旧版本报告的电流为几十纳安。 我可能可以将其放宽到50nA 的倍数、或者使用较小的传感电阻器可能为100nA。

3/4)我使用的是20位 ADC、采样速度非常慢、大约180次/秒。 我在电压基准/满量程范围上有一些灵活性。 我正在使用的微控制器(PSoC 5LP 系列)有一个非常好的0.1% 1.024V 的内部基准电压。 我可以使用1X、2X 或6倍的 Vref 作为范围。 或者、我可以使用 VDD 作为满量程范围、尽管精度不太高。 我还可以提供范围在0.9 - 1.3V 之间的 Vref。 我正在考虑让1.25V 为该具有较小传感电阻器的系统使用0-2.5V 电压范围。 尽管实际上0 - 2.048V 也没有问题、但我要使用1K 感应电阻器测量最高2mA 的电压。 对于该范围、分辨率大约为每 div 1.95uV。  

使我的设计选择复杂化的另一个因素是保护。 我在开始时提到过、这是高压系统的一部分。 我需要保护测量电路免受 DUT 短路的影响。 请参见下面的原理图。 由于我在上一篇文章中提到的限制(如果您愿意、我可以详细介绍这一点、但现在可以认为是理所当然的)、我将把限流电阻器和感应电阻器的总电阻限制为小于40k 欧姆。 该系统可使用高达1760VDC 的电压。 因此、如果 DUT 短路、并且我们有一个分压器、例如所示的38k 和1.5k、则感应节点的电压为67V。 正是出于这个原因、我正在考虑使用一个在高端上提供大约20V 电压的差动放大器、该放大器能够承受超出其电源电压的电压。 然而、现在似乎更实用的方法是使用运算放大器并使用一个大约17V 或18V 的齐纳二极管来保护其输入。 我只需在选择器件时小心、以找到一个在测量范围内的较低电压下不会产生严重泄漏电流并且 能够处理 功率耗散的齐纳二极管。 那么、我仍然需要在输出端提供保护来保护 ADC。 这可以通过另一个~5V 齐纳二极管或依靠具有输入过压保护的专用运算放大器来实现。 还应注意的是、有一个高压继电器、可以在过流(或电流超过测量范围)的情况下打开、但禁用速度不是很快。 但其值应小于1s、因此齐纳电阻和限流电阻必须处理一些功率、但绝不能长时间连续。

图1短接 DUT 和 ABS 最大高压输入

希望这能为您提供更多背景信息并缩小设计要求范围。 感谢您的所有反馈、期待您的意见！ 当然、如果您对要求有更多问题、请告诉我。

亨利

尊敬的 Henry：

以下是几个想法：

配置为 G=2的 INA592差分放大器的差分输入阻抗为6kΩ、+ 6kΩ= 12kΩ。  检测电阻是1kΩ、并且与仪表放大器的12kΩ 输入阻抗相比相对较大、因此在所有电流范围内的电流测量值都将存在约~7.8%的误差。   一个简单的解决方案是使用 OPA2206双路运算放大器来缓冲 INA592的输入。  OPA2206具有 超出运算放大器电源轨±40V 的过压保护功能、低噪声和相对较低的输入偏置电流(低于1nA)。  我们可以将 OPA2206设置为简单的缓冲器或在增益配置中、并使用差分放大器按照 OPA2206级进行操作。  

另一个选择是 INA849、可在仪表放大器输入端放置10k 串联电阻器。  在67V 故障期间、仪表放大器输入端的10kΩ 串联电阻将流入 INA 输入引脚的电流限制在少于~μ A 10mA。  由于采样速率较慢、因此串联电阻器的热噪声影响很小。  INA849提供非常好的直流精度、低漂移、相对低噪声(高增益下为超低噪声)和高输入阻抗。  

如果您的20位 ADC 接受全差动输入：

如果20位 ADC 接受全差分输入、则可以使用 INA851全差分输出仪表放大器。  在默认情况下、INA851可提供高于器件电源电压高达±40V 的过压保护。  该器件的增益可通过单个 RG 电阻器进行设置。  INA851输入级可由+30V 和-5V 电源供电。  INA851输出级采用内置钳位电路、可保护 ADC 或下游器件免受过驱损坏。  实际上、您要将 VCLAMP+和 VCLAMP-引脚连接到 ADC 电源。 INA851输入级具有非常低的噪声、尤其是在您为增益设置输入级时。 输入偏置电流的典型值为~5nA (整个温度范围内最大值为18nA)。

请参阅以下内容：

PGA855是 可编程增益放大器、也是一个全差分输出器件、 在器件电源之上/之上具有高达±40V 的过压输入保护。 可以使用 +30V 和-5V 电源为输入级供电。 输出级具有一组独立的电源、并可由 ADC 电源供电。 该器件提供从 0.128x、0.250x 到16倍受控增益的可编程二进制增益。  该器件通过调节增益、超低噪声和低输入偏置电流、可非常灵活地支持不同范围的电流。   

然而、PGA855或 INA851器件主要用于全差分输入 ADC。  请告诉我、我是否应重点介绍单端或全差分 ADC 输入。  还可以使用 PGA855和 INA855、并随附一个差分放大器、用于执行差分至单端输出转换。

谢谢！

此致、

路易斯

您好 Luis、是的、您对差分放大器的解释就是我刚才关于输入阻抗的几点、因此对于这种情况、可能不是直接连接到感应电阻的最佳选择。  

根据您对 OPA2206的建议、您是否打算对 INA851方框图的显示方式进行配置、以缓冲感应电阻器的两侧、然后使用差分放大器？ 关于这一主题、您认为我使用此类方法或仪表放大器能真正看到更好的性能(即抗噪性能)吗？ 还是能够证明我们坚持使用精密放大器的单端输入和单端输出是合理的？

我真的很喜欢 INA849，但它肯定很贵...  

我还真心希望使用差分 ADC、但我基本上没有 GPIO 可供使用。 我正在考虑使用 I/O 扩展器释放一些空间、但该项目的其他功能似乎从未扩展过、而不是进行缩放、我很可能需要这些引脚用于其他功能。 如果我可以证明性能优势的合理性、我或许可以找到解决这一问题的方法。 你是否有任何关于这方面的资源/链接可以说服我"不惜一切代价"实现差别待遇？

目前我的看法是、我几乎肯定必须坚持使用单端 ADC、但我对在感应节点进行差分测量犹豫不决。 现在、我正在重点考虑将其保持简单、并对分流电阻器进行缓冲/滤波、以及使用远超出正常测量范围的齐纳二极管来保护输入、希望在测量范围内不会引入任何误差。 然后、使用5V 齐纳二极管钳制输出、以保护 ADC/微控制器。  

一如既往、感谢您提出宝贵意见、

亨利

尊敬的 Henry：

通过单端输出解决方案、您当然可以实现高精度性能。 上面介绍的是全差分选项、因为它包含了 ADC 提供全差分输入时可能感兴趣的钳位和其他功能。 也就是说、大多数仪表放大器为单端输出、并且众所周知也能在高精度、低噪声系统中实现非常高水平的性能。

是的、您当然可以在差分配置中为 OPA2206配置3个精密、低漂移电阻器、从而使您能够灵活地将它们设置为增益配置。 如果您决定使用1V/V 的增益、只需将 RF1/RF2替换为0欧姆、并使 RG 保持空载状态。

如果您有想要查看的原理图、请告知我们。

谢谢！

谢谢、

路易斯