Прецизионный измеритель тока верхнего плеча

Журнал РАДИОЛОЦМАН, июль 2018

Catherine Chang, Linear Technology

Design Note 1045

Введение

Для высокоточного измерения микроамперных токов в положительном полюсе нагрузки требуется резистор с низким сопротивлением и сверхмаломощный усилитель с малым напряжением смещения. Максимальное напряжение смещения входа усилителя с нулевым дрейфом LTC2063 равно всего 5 мкВ, а ток потребления – 1.4 мкА, что делает его прекрасным выбором для создания законченного решения, измеряющего ток верхнего плеча (Рисунок 1).

Рисунок 1.	Схема прецизионного измерителя тока верхнего плеча основана на операционном усилителе с нулевым дрейфом LTC2063.

При измерении токов в динамическом диапазоне от 100 мкА до 250 мА схема потребляет очень небольшой ток от 2.3 мкА до 280 мкА. Исключительно низкое напряжение смещения LTC2063 дает возможность подключать эту схему к шунту с сопротивлением всего 100 мОм, максимальное падение на котором составляет 25 мВ. Это сводит к минимуму потери на измерительном резисторе и увеличивает мощность, поставляемую в нагрузку. Rail-to-rail входы LTC2063 позволяют этой схеме работать с очень малыми токами нагрузки при синфазных напряжениях, почти равных напряжениям шин питания. Интегрированный в LTC2063 фильтр защищает микросхему от радиочастотных помех в условиях высокого уровня шумов.

Выходное напряжение схемы для заданного тока шунта I_SENSE равно

Нулевая точка

Критически важной характеристикой схемы измерения тока является нулевая точка, или эквивалентный ток ошибки на входе, создающий выходное напряжение в отсутствие измеряемого тока. Нулевая точка обычно определяется входным напряжением смещения, деленным на сопротивление R_SENSE. Благодаря низкому напряжению смещения LTC2063, типовое значение которого равно 1 мкВ, а максимальное – 5 мкВ, а также низким типовым входным токам и токам смещения, имеющим порядок 1 пА, ошибки, связанные с нулевой точкой, имеют типовое значение всего 10 мкА (1 мкВ/0.1 Ом), а максимальное – 50 мкА (5 мкВ/0.1 Ом). Столь незначительная ошибка позволяет схеме измерения тока сохранять линейность вплоть до нижней границы диапазона (100 мкА) без излома характеристики, связанного с потерей разрешения (Рисунок 2). Результирующая зависимость выходного напряжения от входного тока линейна во всем диапазоне измеряемых токов.

Рисунок 2.	Нижняя граница диапазона измерений ISENSE в увеличенном масштабе.

Еще одним источником ошибки нулевой точки является ток стока P-канального полевого транзистора при нулевом напряжении на затворе (I_DSS) – паразитный ток, существующий при ненулевом напряжении сток-исток (V_DS) и номинально выключенном транзисторе (напряжение затвор-исток равно нулю). MOSFET с большим током утечки I_DSS будет причиной появления ненулевого положительного напряжения V_OUT в отсутствие тока I_SENSE.

Верхний предел I_DSS использованного в этой схеме транзистора BSP322P компании Infineon при |V_DS| = 100 В составляет всего 1 мкА. Оценка типичного значения I_DSS в этом приложении, полученная из графика в техническом описании BSP322P для комнатной температуры и V_DS = –7.6 В, дает величину всего 0.2 нА, что соответствует результирующей выходной ошибке лишь 1 мкВ, эквивалентной ошибке входного тока 100 нА при измеряемом токе 0 А.

Архитектура

Микросхема источника опорного напряжения LT1389-4.096 и бутстрепная схема на элементах M2, R2 и D1 образуют очень маломощную изолированную 3-вольтовую шину (4.096 В плюс напряжение отсечки M2, типичное значение которого равно –1 В). Это шина защищает LTC2063 от воздействия напряжения, превышающего максимально допустимое напряжение питания 5.5 В. Несмотря на то, что для задания тока смещения может быть достаточно последовательного сопротивления, использование транзистора M2 позволяет значительно повысить общее напряжение питания, а также ограничить потребление тока в верхнем конце диапазона всего до 280 мкА.

Точность

Входное напряжение смещения микросхемы LTC2063 вносит фиксированный ток ошибки, приведенное к входу типовое значение которого равно 10 мкА. При измерении на верхнем пределе полной шкалы 250 мА это приведет к ошибке всего 0.004%. Однако в нижней части шкалы 10 мкА составит уже 10% от тока 100 мкА, но, поскольку смещение постоянно, оно может быть откалибровано. Как показывает Рисунок 3, общее смещение, вносимое микросхемой LTC2063, несогласованными паразитными термопарами и любыми паразитными последовательными входными сопротивлениями составляет всего 2 мкВ.

Рисунок 3.	Сквозная характеристика преобразования от VIN до VOUT  при минимальном напряжении питания 4.5 В. Деление выходного смещения 200.7 мкВ на коэффициент усиления напряжения 100.05 В/В дает напряжение смещения входа 2 мкВ.

Из Рисунка 3 видно, что измеренное усиление 100.05 В/В на 1.28 превышает ожидаемое значение 98.77 В/В, определяемое реальными сопротивлениями R_LOAD и R_IN. Эта ошибка может быть обусловлена различием температурных коэффициентов R_LOAD и R_IN. Основным источником погрешности на выходе этой схемы является шум, поэтому решающее значение имеет его снижение путем фильтрации с использованием параллельных конденсаторов большой емкости для сужения шумовой полосы частот и, соответственно, снижения суммарных помех. При частоте среза выходного фильтра 1.5 Гц LTC2063 добавляет примерно 2 мкВ пик-пик приведенных к входу низкочастотных шумов. Дополнительное снижение погрешности, обусловленной шумами, дает усреднение выходного напряжения на максимально возможном интервале времени.

Другими источниками погрешностей в этой токоизмерительной схеме являются последовательное паразитное сопротивление проводников платы между R_SENSE и входами LTC2063, разброс сопротивлений резисторов R_IN и R_LOAD, задающих коэффициент усиления, несоответствие температурных коэффициентов этих резисторов и напряжение ошибки на входе операционного усилителя, создаваемое паразитными термопарами. Влияние первых трех источников ошибок можно минимизировать использованием четырехпроводного подключения к токоизмерительному резистору R_SENSE (мост Кельвина) и выбором входных резисторов и резистора R_LOAD с отклонениями сопротивлений 0.1% и похожими или низкими температурными коэффициентами. Для того чтобы нейтрализовать эффект паразитной термопары, выводы резисторов R₁ и R_IN должны быть сделаны из одинакового металла. Необходимо также, насколько это возможно, не допускать асимметрии температурных градиентов на входах.

Рисунок 4.	Во всем диапазоне измерений ошибка остается ниже 1.4%.

Общий вклад всех источников ошибок, обсуждавшихся в этом разделе, относительно максимального выходного напряжения 2.5 В, как видно из Рисунка 4, не превышает 1.4%.

Потребляемый ток

Минимальный ток, требуемый для питания микросхем LT1389 и LTC2063 составляет 2.3 мкА при минимальных значениях напряжения питания V_SUPPLY и измеряемого тока I_SENSE (4.5 В и 100 мкА), и увеличивается до 280 мкА при максимальных V_SUPPLY и I_SENSE (90 В и 250 мА) (Рисунок 5). Помимо активных компонентов, ток источника питания V_SUPPLY проходит также через транзистор M1. Величина этой составляющей, пропорциональной выходному напряжению, изменяется от 200 нА при выходном напряжении 0.1 мВ (для I_SENSE = 100 мкА) до 500 мкА при напряжении 2.5 В (для I_SENSE = 250 мА). Таким образом, общий ток потребления, добавляющийся к току I_SENSE, изменяется в диапазоне от 2.5 мкА до 780 мкА. Сопротивление R_LOAD выбрано равным 5 кОм исходя из типичного значения входного тока АЦП.

Рисунок 5.	Потребляемый ток увеличивается с ростом напряжения питания, но никогда не превышает 280 мкА.

Диапазон входных напряжений

Максимальное напряжение питания этой схемы ограничивается наибольшим напряжением |V_DS|, которое способен выдержать P-канальный МОП-транзистор. Поскольку для BSP322P это максимальное значение составляет 100 В, подходящим рабочим пределом для схемы будет напряжение 90 В.

Диапазон выходных напряжений

Схема может работать на сопротивление нагрузки 5 кОм, что позволяет подключать ее к входам многих АЦП. Диапазон выходных напряжений составляет от 0 В до 2.5 В. Благодаря rail-to-rail выходам микросхемы LTC2063, максимальное напряжение на затворе M1 ограничено только запасом, требуемым для LTC2063. Типовое значение этого напряжения, равное для данной схемы 3 В, определяется суммой опорного напряжения 4.096 В на микросхеме LT1389 и порогового напряжения –1 В транзистора M2.

Поскольку выходным сигналом этой схемы является не напряжение, а ток, смещение земли или выводов на ее точность не влияют. Это позволяет использовать длинные провода между выходом P-канального МОП-транзистора M1 и резистором нагрузки R_LOAD, чтобы разместить R_SENSE вблизи шины с измеряемым током, а R_LOAD – возле АЦП и других каскадов последующей обработки сигнала. Недостатком длинных проводов является увеличенная чувствительность к электромагнитным помехам. Однако конденсатор C3 емкостью 100 нФ, подключенный параллельно R_LOAD, убирает такие помехи прежде, чем они достигнут входа следующего каскада.

Ограничения скорости

В связи с тем, что произведение коэффициента усиления на полосу пропускания для микросхемы LTC2063 равно 20 кГц, эту схему рекомендуется использовать для измерения сигналов с частотой 20 Гц или ниже. Включенный параллельно нагрузке конденсатор C2 емкостью 22 мкФ фильтрует выходные шумы до 1.5 Гц, улучшая точность измерений и защищая последующие каскады от резких бросков тока. Платой за эту фильтрацию является возросшее время установления, особенно в самом низу диапазона измерений.

Заключение

Сверхнизкое входное напряжение смещения микросхемы LTC2063, низкие входные токи и токи смещения, а также rail-to-rail вход обеспечивают высокую точность измерений токов во всем диапазоне от 100 мкА до 250 мА. Ток потребления микросхемы, не превышающий 2 мкА, составляет ничтожную долю от 280 мкА для большей части рабочего диапазона. Низкое напряжение питания в сочетании с низким потребляемым током позволяют питать микросхему от источника опорного напряжения.

Материалы по теме