如何選擇合適的放大器去測量電流

問題:

我需要測量電流，但不知道應使用哪一款放大器。我應該從何處著手？

答案:

電流測量在很多應用中都是必要的，包括執行器控制、測試與測量、傳感器信號調理以及電能計量(僅舉數例)。根據不同的應用，設計工程師必須甄別檢測和調理電流的最佳方法1。當有多種選擇的時候，問題就來了。例如，在精密電流測量中，可以使用分立式運算放大器來構建跨導放大器，或者從眾多的集成式放大器中選擇一款來使用；那么對于特定應用而言，哪個放大器最適合進行電流測量？

顯然，測量電流時，電流應當與電路串聯，并且不應成為電路的負擔。小型分流器件(比如電阻)通常會產生小電壓，需對其進行放大和/或電平轉換。分流電阻相對較低，以便最大程度地減少其負擔，并且在某些情況下使功耗最小化。無論何種情況，都面臨著處理小電壓的挑戰。此外，分流器可能不會接地，這就意味著必須以差分方式測量電壓，并將該電壓進行電平轉換。根據應用，電流的變化可能達到很多數量級，從阿安到數安(或更高)都有可能。為了簡化選型過程，讓我們來回顧幾種選擇及其使用場景。

在電流路徑上插入一個分流器(如圖1a所示)，并使用運算放大器緩沖或放大可能是最直接的方法，但這種方法不提供任何電平轉換。低端電流檢測可以采用這種方法。只需降低分流值同時提高放大器增益(如圖1b所示)，即可最小化負擔電壓；但通常會犧牲噪聲和精度性能。將負擔電壓降為最低的一種更好方法——尤其是存在低電流時——是采用跨導放大器電路(TIA)，亦稱為電流-電壓轉換器(或者I-V轉換器)。圖1c顯示了使用TIA如何等效于在運算放大器周圍擺放分流器，其目的在于將負擔電壓降低至接近于零2。只要電流低于運算放大器的輸出限流(通常是mA級別)，它就能起作用。由于負擔電壓較低且不變，因此通常采用TIA來確保傳感器(比如光電二極管)的電流輸出具有極其精確的結果。TIA有時候可能無法實現，比如我們希望測量的電流不在負載的接地側。高端電流檢測或測量遠程環路中的電流時便是這種情況。此時可使用儀表放大器，該器件便于使用且具備高精度(如圖1d所示)。這些器件已成功用于很多高精度電流測量中，包括4 mA至20 mA環路接收器、電能計量和傳感器接口(僅舉數例)。

在一些實例中，分流器疊加到共模電壓擺幅上，導致超出傳統放大器的電源范圍，使系統過于昂貴(比如，需要進行隔離)。與儀表放大器不同，差動放大器和電流檢測放大器IC可在較大的換向共模電壓存在的情況下測量電流。它們是高性價比且魯棒的選擇，非常適合電機和執行器控制應用。

開始著手新的電流檢測設計前，考慮上述選項，并盡可能了解一些在線設計工具，比如光電二極管向導和針對儀表放大器的鉆石圖工具。如果傳感器或線纜電容已知，則光電二極管向導還能用來設計正確補償型TIA，哪怕光電二極管并不真正需要用到。鉆石圖工具可以根據分流器工作范圍而立即圖形化顯示儀表放大器的工作區域?；蛘?，請訪問EngineerZone?中文技術論壇，了解其他人是怎么做的。希望這些建議能幫助您找出對您的電流檢測應用而言最佳的選擇。